171Yb3+:CaWO4におけるサブ秒スピンと寿命限界の光コヒーレンス

長寿命の量子状態が重要な理由

量子コンピュータや超安全な通信ネットワークは情報の処理・共有のあり方を変える可能性がありますが、それらは通常ほんの数分の一秒で失われる壊れやすい量子状態に依存します。本研究は、光で制御でき、驚くほど長く保てる量子状態を宿す新しい固体結晶材料を調べます。これらの状態を通常よりはるかに長く安定化できることで、実用的な量子メモリ、インターフェース、センサーに向けた重要な一歩を示しています。

壊れやすい量子ビットの新しい宿主

研究者たちは、カルシウムタングステート（CaWO4）という結晶に特定の種類のイッテルビウムイオン、すなわち¹⁷¹Yb³⁺をわずかにドープした試料に注目しました。これらのイオンの一つひとつは、電子と核の双方が磁気的性質に寄与する小さな量子磁石のように振る舞います。結晶内に他の磁性原子がほとんど含まれていないため、各イッテルビウムイオンを取り巻く環境は異常に静かです。この低い背景ノイズは重要であり、固体中のランダムな磁気擾乱によって量子状態がすぐに乱されるのではなく、長く保持されることを可能にします。

光と磁場で隠れた構造を探る

これらの量子状態を理解し制御するため、まずイオンのエネルギー準位がどのように配置されているかを詳細にマッピングする必要がありました。研究者らは結晶を絶対零度にわずかに近い温度まで冷却し、高安定なレーザー光を通しつつ精密に制御した磁場を印加しました。わずかに異なる波長や偏光での吸収を測定することで、イオンの低エネルギー（基底）状態と高エネルギー（励起）状態の内部で電子スピンと核スピンがどのように相互作用するかを特定できました。観測された吸収ピークは非常に鋭く、イオンが結晶中でほぼ同一の環境を感じていることを示しており、大規模なイオンアンサンブルの精密な光学制御に不可欠な要件です。

長寿命のスピンメモリを作る

このエネルギー図をもとに、研究者たちはマイクロ波に頼らず完全に光だけでイオンのスピン状態を操作するためにレーザー光のペアを用いました。まずほとんどのイオンを単一の適切に選んだスピン状態に偏極させ、その後に「クロック」遷移として知られる特別な一対の状態へ反転させる光パルス列を設計しました。この配置では、二つの状態は外部磁場に対してほぼ同一に応答するため、環境の揺らぎがそれらの間のエネルギー差にほとんど影響しません。スピンエコー測定（パルス列によりスピンがどれだけ同相を保つかを明らかにする方法）では、ゼロ磁場で集合スピン状態が約0.15秒のコヒーレンスを維持できることが示され、同条件下のこの種の系としては記録的な値でした。

ほぼ自然限界まで記憶する光

研究チームは光学遷移自体がどれだけ長く明確に定義され続けるかも調べました。フォトンエコーと呼ばれる手法を用いて二つの光パルスを入射し、光学位相情報がどれほど速く失われるかを示す微弱なエコー信号を観測しました。スピン交換などの破壊的なプロセスが抑えられるようにスピン分布を慎重に準備すると、光学コヒーレンス時間は約0.75ミリ秒に達し、これは励起状態の自然寿命から予想される値とほぼ一致しました。言い換えれば、主要な制限はもはや環境ノイズではなく、励起イオンがいずれ光子を放出して緩和するという基本法則です。これは、常磁性の固体発光体として報告されている中でも極めて優れた光学コヒーレンス性能の一つです。

実用的な量子デバイスに向けて

これらの結果は、CaWO4中の¹⁷¹Yb³⁺がいくつかの極めて望ましい特性を兼ね備えていることを示しています：選択的制御を可能にする鋭く分離された光学線、光だけで初期化および操作できるスピン状態、そして強磁場を印加しなくても非常に長いスピンおよび光学コヒーレンス寿命。著者らはイッテルビウムの濃度を下げたり材料をさらに設計したりすることで、これらの寿命をさらに延ばせる可能性があると論じています。この独特の特性の組み合わせにより、この材料は光を用いる量子メモリ、マイクロ波と光の信号を変換するデバイス、停留する量子ビットを光子に接続する単一イオンインターフェースなど、将来の量子技術にとって有力な候補となります。

引用: Tiranov, A., Green, E., Hermans, S. et al. Sub-second spin and lifetime-limited optical coherences in ¹⁷¹Yb³⁺:CaWO₄. Nat Commun 17, 4115 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70534-9

キーワード: 量子メモリ, 固体中スピン, 希土類イオン, 光学コヒーレンス, 量子ネットワーキング