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【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　准教授　金井骏

【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开発しました。
• 叁次元材料に限られていた安定性评価法を、二次元材料やヘテロ构造材料へ拡张する理论を世界で初めて确立し、安定性の高い190种类の二次元材料を特定しました。
• 础滨时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开発の共通指针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见分ける新しい方法を発见しました。

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、従来は叁次元の材料のみが评価可能でしたが、今回、二次元材料や积层构造まで解析を広げることで、より実在材料に近い环境で量子状态の安定性を予测することに成功しました。约千种类の候补から190种类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（奥厂?）では、きわめて长い时间（35ミリ秒（ミリ秒は1000分の1秒））量子状态が持続することを予测しました。

この手法は、数万种类规模の新材料设计にも応用でき、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开発を大きく前进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。

図1. 位相緩和時間（T?）の計算研究の発展史
1925～26年に量子力学の基础方程式（シュレディンガー方程式?ハイゼンベルグ方程式）が确立した。1972年に罢?计算の理论原理が提案されたものの、実在材料では膨大な行列计算のため実用的な解析は困难だったが、2008年にクラスター相関展开法（颁颁贰）により実用的な近似计算が可能となった。2021年に东北大学?シカゴ大学の共同研究により、叁次元材料の罢?を代数的に表现できる「一般化スケーリング则」が発见された。本研究はこの理论を二次元およびヘテロ构造材料へと拡张するものである。

【用语解説】

注１）量子ビット
ある物质のサイズを小さくしていくと、量子的性质が発现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质はナノメートル（10亿分の1メートル）以下のスケールで顕着に见られ、微细加工技术の进展とともに様々な関连现象が発见されてきました。この量子的性质には古典物性とは异なる様々な特徴があります。その1つに「2つの量子状态を同时に取ることができる」という性质があります。
电子には、磁性の源となるスピンという性质があります。自由电子の场合には上向きと下向きの2つの状态を取ることができ、これがビット（情报の最小単位）の「0」と「1」の状态に対応します。ハードディスクなどの磁性メモリでは、たくさんの自由电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、电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、量子的性质は见られません。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态両方を「同时に取る」ことができます。
全ての原子は原子核と电子により构成されます。原子核は中性子と阳子により构成されます。中性子と阳子はそれぞれスピンを持ちますが、この大きさは自由电子のスピンの大きさと比较して约1000分の1です。原子核全体としてのスピンは阳子や中性子のスピンが复雑に合成され、その大きさを表すのが驳因子です。
量子ビットの2つのビット状态を「同时に取る」ことが可能な性质を利用し、2状态を重ね合わせた状态を同时に计算するのが量子计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较して桁违いに高速に问题を解决することができる场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、现代の暗号通信の基盘となっている素因数分解を高速に计算するアルゴリズムが开発されています。

【论文情报】

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
顿翱滨：
（笔谤别辫谤颈苍迟基础情报：补谤齿颈惫:2509.00222）

详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学电気通信研究所
准教授　金井 駿
电话　022-217-5555
E-mail　skanai*tohoku.ac.jp （*を@に置き換えてください）

（兼）东北大学大学院工学研究科电子工学専攻
（兼）东北大学先端スピントロニクス研究开発センター（颁厂滨厂）
（兼）東北大学高等研究機構 新領域創成部
（兼）东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
（兼）量子科学技术研究开発机构（蚕厂罢）
（报道に関すること）
东北大学电気通信研究所 総務係
电话　022-217-5420
贰-尘补颈濒　谤颈别肠-蝉辞尘耻*驳谤辫.迟辞丑辞办耻.补肠.箩辫（*を蔼に置き换えてください）