DTU、新たな量子ビットとして結晶内の電子をテスト

February, 27, 2026, Lyngby--Thomas Sand Jespersen教授率いるDTUの研究者グループは、現在ジュエリーやバッテリなどに使われている自然界の結晶の一つに新たな量子ビットを探している。

量子コンピュータで計算を行う場合、量子ビット(qubits)が必要になる。qubitsはコンピュータの計算を可能にする単位。

量子ビットは様々な方法で生成される。原子や電子を使うものもいれば、フォトン(光の粒子)を使うものもあり、さらに電気や特殊な材料の組成を利用して量子ビットを作るものもある。

「理想的なqubitsとは、われわれが100%制御できる量子力学的なシステムである。つまり、われわれはその存在の状態を制御でき、ある状態に置いても自動的に変わることはない。さらに、計算後にその状態を高精度で測定できなければ、量子コンピュータから理解可能な結果を得ることはできない」とThomas Sand Jespersenは説明している。

同氏はDTU Energy教授であり、量子材料を探求し、量子技術が量子コンピュータの外にある古典的な電子工学と結びつく解決策を開発している。

結晶中の新しいタイプのqubits
Thomas Sand Jespersenによると、どのタイプの量子ビットが量子コンピュータにとって最適な解かはまだ未解決である。言い換えれば、良い量子ビットの探求はまだ続いている。

「全く新しい場所でqubitsを探し調査することは依然として重要である。これは現在、イタリア、フランス、スウェーデン、ポーランドのヨーロッパの研究グループと共に取り組んでいる私のグループで取り組んでいることの一つである」(Thomas Sand Jespersen)。

同教授は量子ビットの新しい解を見つけるのは簡単ではないと語り、次のように説明している。

「量子ビット(qubits)の機能は、常に異なる条件の妥協である。例えば、周囲から非常に孤立したqubitは、その状態を非常に長く維持することができる。これは良いことだが、一方で孤立したqubitの状態を読み取るのがそれに伴い難しくなる。」

DTUの研究者たちが現在調査中の新しいqubitsは、複雑な酸化物のカテゴリーに属する一種の物質で発見されている。複雑な酸化物は、自然界に存在し、地中から掘り出される結晶である。

現在では、ジュエリーのほか、バッテリや燃料電池などのエネルギー技術の重要な構成要素としても使われている。人工的に育てることも可能である。つまり、自分で結晶を生産することもできる。DTU Energyの機能性酸化物部門は、これらの材料を生産する世界有数のグループの一つであり、Lyngbyキャンパスに酸化物培養のための広範な施設を有している。

独自の特性を持つ材料
複雑な酸化物は比較的複雑な結晶構造を持ち、通常は複数の元素を含む。その一つが酸素で、これは「酸化物」という言葉によっても明らかになる。酸化物はすでにエネルギー技術で広く使われており、DTU Energyでは酸化物の研究が長い歴史を持っている。

しかし、低温での独自の電子特性も持っており、量子技術や量子ビットにとって興味深いものとなっている。

現在、DTUの研究者たちが注目しているのはストロンチウムチタン酸塩(strontium titanate)で、同教授によると、この物質が珍しいからである。

「ストロンチウム・チタン酸塩は、われわれが量子物質と呼ぶものだ。つまり、その性質を記述したいなら量子力学を避けられないということだ。素材は非常に相互作用が激しい。これは、例えば電子の動きを結晶振動で絡め合うことで表れており、電子同士が本当に互いを感知し、グループで反応することを意味する。すべてを理解し管理するのがより複雑になるが、新たな可能性も開ける」(Thomas Sand Jespersen)。

同教授によると、量子技術でよく使われるシリコンのような他の材料の電子は、比較すると互いにほとんど無関心であり、軌道を持ち、その軌道に沿って乱されずに進むことを好む。

より高速な量子コンピュータ
ストロンチウムチタン酸塩に含まれる励起電子の利点は、おそらくqubitsとして利用でき、その状態を制御・読み取りする新しい方法があることである。

「もしストロンチチタン酸の電子を利用できれば、量子コンピュータでより高速に動作できる新しい量子ビットを作れるかもしれない。これまでのところ、期待できそうだ」(Thomas Sand Jespersen)。