「マヨラナ粒子」の量子もつれを利用した、量子テレポーテーション現象を理論的に解明大阪大学ら

大阪大学、東京大学、学習院大学からなる研究チームは2023年12月6日、特殊な磁性体中に存在するマヨラナ粒子の量子もつれを利用した、量子テレポーテーション現象を理論的に解明したと発表した。さらに特殊な顕微鏡を用い、電気的にこの現象を測定できることを示した。

素粒子の1つとして1937年に理論提案された、実験的には未発見の幻の粒子であるマヨラナ粒子は、近年、特殊な磁性絶縁体中に出現する可能性が指摘され、物質中のマヨラナ粒子の探索が盛んに行われている。これまで物質中のマヨラナ粒子は強い量子もつれ状態にあると知られていたが、実験的にそれを測定する方法は不明だった。

研究では、外部磁場がある場合、量子もつれ状態を作るマヨラナ粒子は、磁性絶縁体上にある欠陥（点欠陥）に束縛される性質があることを利用した。

理論的に、複数の点欠陥がある場合についてマヨラナ粒子が現れる模型を考察したところ、点欠陥に隣接した電子スピン間に、強く点欠陥に束縛されたマヨラナ粒子の量子もつれを反映した量子テレポーテーション現象が現れることを解明。相対距離に依存しないことを定量的に評価した。

次に、走査型トンネル顕微鏡（STM）を用いた電気伝導度測定により、電子スピンの量子テレポーテーション現象が検出できることを数値シミュレーションで示した。マヨラナ粒子が点欠陥に束縛される場合、電気伝導度は非ゼロの値を取り、マヨラナ粒子が存在しない場合はゼロになる。

(a)今回の研究で取り扱った理論模型。遠く離れた2地点に点欠陥が導入され、量子もつれ状態を形成するマヨラナ粒子がそれぞれに束縛されている。
(b)量子テレポーテーション現象のシミュレーション結果。
(c)量子テレポーテーション現象を測定できる実験セットアップ。点欠陥に束縛されたマヨラナ粒子の量子もつれによって、電気伝導度が有限になる。STMのトンネル電流を利用するため、磁性絶縁体は伝導基盤上に接合する。

今回の研究は、解析的な理論計算と数値シミュレーションの組み合わせで、物質中のマヨラナ粒子の量子もつれを介し、遠く離れた2つの電子スピンが互いに情報をやりとりする量子テレポーテーション現象が起こることを解明した。この結果は、物質中のマヨラナ粒子の探索や、物質中のマヨラナ粒子を用いたトポロジカル量子コンピューターの実現への道を切り開く。

「マヨラナ粒子」の量子もつれを利用した、量子テレポーテーション現象を理論的に解明　大阪大学ら