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あらゆる材料に適用可能な量子ビット評価手法を確立

あらゆる材料に適用可能な量子ビット評価手法を確立

―二次元材料・ヘテロ構造まで網羅―

発表のポイント

• 材料中の量子ビット^（注1）の安定性を高速に判定する新手法を開発しました。
• 三次元材料に限られていた安定性評価法を、二次元材料やヘテロ構造材料へ拡張する理論を世界で初めて確立し、安定性の高い190種類の二次元材料を特定しました。
• AI時代に不可欠な量子コンピューターや量子センサーなど、あらゆる量子デバイス開発の共通指針として活用が期待されます。

概要

量子コンピューター向け材料を見分ける新しい方法を発見しました。

東北大学の金井駿准教授、米国シカゴ大学及び米国アルゴンヌ国立研究所のジューリア ガリ教授、マイケル トリヤマ博士らの研究チームは、材料内部の磁気的な揺らぎが量子状態を乱す仕組みに注目し、計算科学を使って量子状態の安定性を高速に予測する手法を開発しました。

特に、従来は三次元の材料のみが評価可能でしたが、今回、二次元材料や積層構造まで解析を広げることで、より実在材料に近い環境で量子状態の安定性を予測することに成功しました。約千種類の候補から190種類の有望な材料を抽出し、中でも代表的な二次元材料である二硫化タングステン（WS₂）では、きわめて長い時間（35ミリ秒（ミリ秒は1000分の1秒））量子状態が持続することを予測しました。

この手法は、数万種類規模の新材料設計にも応用でき、将来的には量子コンピューターの心臓部となる素子や、超高感度な量子センサーの開発を大きく前進させることが期待されます。

本成果は2025年11月26日付で、npj 2D Materials and Applicationsに掲載されました。

詳細な説明

研究の背景

量子コンピューターをはじめとする次世代の量子技術は、これまでの計算機の限界を超える新しい情報処理の実現を目指しています。物質の中で量子状態がどれだけ安定して保たれるか、つまり量子状態の安定性が保たれる時間（T₂）^（注2）が、量子ビットとしての性能を左右する鍵とされています。

図1にT₂を実材料で計算するための研究の歴史をまとめました。量子の世界を支配する基本原理が形になったのは、今からおよそ100年前のことです。1925年から26年にかけて、シュレディンガー方程式とハイゼンベルグ方程式が発表され、物質の量子状態を記述する理論の枠組みが整いました。

それ以来、物質の中で量子状態がどれだけ安定して保たれるかを定量的に理解することが、量子技術の発展において中心的なテーマとなってきました。1970年代には、T₂を理論的に計算する方法が提案されましたが、実際の材料では膨大な行列計算^（注3）が必要で、現実的な予測はほとんど不可能でした。2000年代に入ってようやく、小さな行列を繰り返し計算する近似的な手法が登場しますが、それでも1つの材料を解析するのに数分から数日を要しました。

転機となったのが2021年です。東北大学の金井駿准教授、大野英男総長（当時）とシカゴ大学及びアルゴンヌ国立研究所（ともに米国）のデイビッド オーシュロム教授、ジューリア ガリ教授の研究チームが、三次元材料についてT₂を単純な四則演算と累乗計算で求められる「一般化スケーリング則」を発見し、量子状態の安定性を誰でも容易に予測できる仕組みを示しました（参考文献1、参考文献2）。この理論的指針をもとに多くの実験研究が行われ、世界中でその再現が確認されています。

今回の取り組み

これまで、量子状態の安定性に関する研究は三次元材料を中心に進められてきました。一方、原子層レベルで人工的に設計できる二次元材料や、それらを組み合わせたヘテロ接合構造では、同様の手法で安定性を評価することが難しく、統一的な理論は存在していませんでした。近年、こうした二次元材料やヘテロ接合は、エレクトロニクスや量子情報処理への応用を目指して世界的に研究が活発化しています。

この課題に対し、東北大学電気通信研究所の金井駿准教授、シカゴ大学及びアルゴンヌ国立研究所のマイケル トリヤマ博士、ジューリア ガリ教授、ジーウェイ ザン博士の研究チームは、量子状態の安定性を高精度かつ高速に予測できる新しい理論計算手法を開発しました。研究チームは、材料中の原子核の磁気的な揺らぎがスピン量子ビットの安定性を支配することに着目し、この相互作用を解析するクラスター相関展開法（CCE）^（注4）を自動化しました。これを高スループット計算とデータ駆動モデルに組み合わせることで、材料ごとの量子状態の保持時間（T₂）を網羅的に予測できる枠組みを確立しました。

まず二次元材料については、1173種類の候補の中からT₂が1ミリ秒よりも大きい材料、190種類を同定しました。中でもWS₂は、トランジスタや発光デバイス、光検出器などに用いられる代表的な二次元半導体であり、今回の解析でT₂ = 35ミリ秒という極めて長い量子状態の安定性を示しました。すでにスピン量子ビットとしての実験報告もあり、WS₂はエレクトロニクスと量子情報をつなぐ共通基盤材料として新たな可能性を示しました。この成果により、実在する二次元材料群の中で、量子状態の安定性を左右する要因と設計指針が初めて体系的に明らかになりました（図2）。

この新しい関係を代数的に整理することで、三次元材料に対して2021年に発見された「一般化スケーリング則」を二次元材料およびヘテロ接合系にまで拡張することに成功しました（図3）。これにより、三次元材料・二次元材料・ヘテロ接合材料のすべての実在材料系に対して、量子状態の安定性を統一的に表現・予測できる理論的枠組みが完成しました。

本成果は、量子情報科学と最先端材料科学をつなぐ新たな橋渡しとなるものです。

今後の展開

今回確立した理論と計算手法は、今後の量子技術開発に幅広い波及効果をもたらします。まず、理論的には、三次元・ヘテロ接合・二次元を貫く統一的な「量子状態の安定性スケーリング則」を確立したことで、材料科学と量子情報科学を結ぶ新しい共通基盤が生まれました。これにより、理論計算だけでなく、実験グループや産業界が利用できる量子材料設計の標準指針として機能します。実際の応用に向けた次のステップは、三次元材料で実験実証されつつあるこうした新たな色中心スピン量子ビット向け材料の実証に加えて（参考文献3）、今回の枠組みに基づき、理論で予測した高安定材料を実際に合成し、スピン共鳴測定や光学計測によりT₂の直接実証を進めることです。

また、今回確立した枠組みは、量子コンピューターの演算精度を高めるだけでなく、高感度な量子磁気センサーや量子通信デバイスの長寿命化など、量子技術全体の信頼性向上につながります。さらに、低ノイズ基板設計の指針を共有することで、半導体・材料メーカーとの共同開発を促し、既存製造技術と両立可能な量子デバイスプラットフォームの構築を目指します。将来的には、東北大学とシカゴ大学を中心とした国際共同研究のもと、理論・実験・産業を横断した「量子材料設計エコシステム」を形成し、量子情報社会の実現に向けた学際的研究をさらに推進していく予定です。

東北大学はシカゴ大学との海外サテライト協定を結んでおり、金井准教授を日本側の代表としてジョイントリサーチセンターを推進しています。

また東北大学とシカゴ大学は量子研究に関して、“Chicago-Tohoku Quantum Alliance”^（注5）を2023年に締結し、共同研究を推進しています（参考文献4）。

共同研究の一層の強化により、さらなる世界的成果の創出が期待されます。

謝辞

本研究の一部は、JST戦略的創造研究推進事業さきがけ（課題番号：JPMJPR21B2）、JSPS科研費（課題番号：JP23KK0092）、QST-SIPプログラム、東北大学新領域創成のための挑戦研究デュオの支援を受けて行われたものです。

参考文献

• 2021年4月30日プレスリリース
  量子ビットに適した固体中のスピン中心は？～ブレイクスルーへ向けた物性・材料の探索指針～
• 2022年4月8日プレスリリース
  固体中の量子情報の保持時間を記述する法則を発見～誰でも短時間で量子ビット材料探索が可能に～
• 2025年1月27日プレスリリース
  Exploring a New Qubit with the Gemstone Spinel
• 2023年6月6日プレスリリース
  東北大学とシカゴ大学が新たな量子アライアンスを発足 量子科学分野の研究を加速し、国際的な量子人材の育成に取り組む^（注5）

用語解説

注1）量子ビット

ある物質のサイズを小さくしていくと、量子的性質が発現することがあります。例えば「スピン」と呼ばれる磁性の源の持つ量子的性質はナノメートル（10億分の1メートル）以下のスケールで顕著に見られ、微細加工技術の進展とともに様々な関連現象が発見されてきました。この量子的性質には古典物性とは異なる様々な特徴があります。その1つに「2つの量子状態を同時に取ることができる」という性質があります。
電子には、磁性の源となるスピンという性質があります。自由電子の場合には上向きと下向きの2つの状態を取ることができ、これがビット（情報の最小単位）の「0」と「1」の状態に対応します。ハードディスクなどの磁性メモリでは、たくさんの自由電子スピンがそろっており、そのスピン方向が古典ビットと対応します。これらのデバイスでは、電子スピンが最低でも数万というオーダーで集まっており、量子的性質は見られません。一方で、孤立スピン中心のように単一か、それに近い数のスピンでは、スピンは上向きと下向きの状態両方を「同時に取る」ことができます。
全ての原子は原子核と電子により構成されます。原子核は中性子と陽子により構成されます。中性子と陽子はそれぞれスピンを持ちますが、この大きさは自由電子のスピンの大きさと比較して約1000分の1です。原子核全体としてのスピンは陽子や中性子のスピンが複雑に合成され、その大きさを表すのがg因子です。
量子ビットの2つのビット状態を「同時に取る」ことが可能な性質を利用し、2状態を重ね合わせた状態を同時に計算するのが量子計算や量子コンピューターです。量子コンピューターは古典コンピューターと比較して桁違いに高速に問題を解決することができる場合があることが示されています。例えば古典コンピューターが苦手とし、現代の暗号通信の基盤となっている素因数分解を高速に計算するアルゴリズムが開発されています。

注2）量子状態の安定性が保たれる時間（T₂）

ビット「0」と「1」の状態間に相互作用がある場合、各状態は完全には区別することができません。スピン中心の場合、この状態間、あるいは別の状態を介した相互作用のON/OFFをレーザー光や高周波磁場により高度に制御することで初期化や量子操作を行います。実際の材料では、これらの意図的に与える外場の他、結晶との熱的な相互作用、核スピンとの磁気的相互作用、結晶中の電荷による電気的相互作用などの意図しない相互作用が存在します。これらの相互作用は常に量子状態を混ぜるため、ビットの区別の精度を悪化させます。初期化してから状態が混ざるまでの時間、つまり量子状態の安定性が保たれる時間を位相緩和時間（T₂）と呼び、その時間は主にスピン中心を構成する母体材料で決定されます。位相緩和時間よりも長い時間では、上記ビットの判別可能性の問題により量子計算が不正確になるため、量子操作時間よりも十分に長い位相緩和時間が要求されます。

注3）行列計算

行列は表のように縦と横に配置した数のまとまりで、例えば\[\begin{bmatrix}1 & 2 \\3 & 4 \end{bmatrix}\] を大きさ2×2の行列と呼びます。行列には四則演算やその他の様々な演算を定義することができます。シュレディンガー方程式やそれと等価なハイゼンベルグ方程式は行列により表すことができます。これらの方程式に基づいてT₂を求めることができますので、T₂は原理的には行列計算により求めることができます。一方で、本文で述べた通り、実際の材料の量子状態は10³⁰⁰×10³⁰⁰のような途方もなく巨大な行列で表され、そのままではT₂計算は不可能です。
行列計算は機械学習をはじめとしたデータサイエンスにおいても中心的な役割を果たし、AI人材育成の観点から、2017年度以降の最新の文部科学省の指導要領では、高等学校における数学Cの教材となっています。

注4）クラスター相関展開法（CCE）

系全体の自由エネルギーを、系を構成する比較的小さなクラスターに分けて、それぞれの自由エネルギーと、その相互作用により記述する手法である「クラスター展開」を、エコー計算に応用したものです。完全なハミルトニアンが含むN体相互作用の次数Nにより展開するため、次数の上限を決めることで計算を簡便化することが可能です。
例えば、系全体の完全な密度行列計算を行う際には、本文で述べた通り巨大なハミルトニアンの時間発展計算を行うための膨大なリソースが必要となりますが、ハーンエコーを支配する二体相互作用を加味するのであれば、二次のクラスター相関展開（CCE-2）を考慮すれば十分です。この際、一度に考慮するハミルトニアンのサイズは計算機で取り扱うには十分な大きさであり、こうした比較的小さなサイズの行列計算を多数回繰り返すことにより現実的な計算時間のハーンエコー計算が可能となりました。実際、2008年頃に発表されたハーンエコー信号のCCE計算は、実験的に報告されたエコー信号を良く再現することが報告され、徐々にその有用性が評価されつつあります。2016年には、初めてSiCについてもT₂が計算され、化合物においてもCCE計算を用いた現実的な時間でのT₂計算・予測が可能となり、クラスター相関展開の有用性は最近認められつつあります。

注5）Chicago-Tohoku Quantum Alliance

東北大学と米国のシカゴ大学は、量子科学分野における共同研究、学生交流、産業界との連携及びスタートアップの促進を目指し、“Chicago-Tohoku Quantum Alliance”を2023年6月に共同で立ち上げました。教員・学生の派遣・受入を促進し、お互いの大学の研究開発インフラへのアクセス、多層的な共同研究室の実現、産業界との共同研究開発・共同教育プログラム、共同でのスタートアップ支援、社会実装を加速することを目的としています。（参考文献4）

論文情報

タイトル：	Strategies to search for two-dimensional materials with long spin qubit coherence time
著者：	Michael Y. Toriyama, Jiawei Zhan, Shun Kanai, Giulia Galli
掲載誌：	npj 2D Materials and Applications
DOI：	10.1038/s41699-025-00623-8

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