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熱処理・磁場キャンセラーの株式会社オータマ

国立研究開発法人 量子科学技術研究開発機構（QST）では、ダイヤモンドを材料とした次世代計測技術「量子センシング」の研究開発が進められています。高感度な測定を実現するためには、外部磁場の影響を抑えた実験環境が欠かせません。QST高崎量子技術基盤研究所の木村晃介様に、量子センシング研究の最前線と、研究を支えるオータマの磁気シールドの役割について伺いました。

図１.結晶構造（ダイヤモンド中のNVセンター）
窒素原子（N）が炭素サイトを置換し、隣接するサイトに空孔（V）があることで形成される結晶欠陥。
画像提供：量子科学技術研究開発機構

図２．NVセンターを持つダイヤモンドは赤く光る
近接したNVセンター同士は双極子相互作用によって結合されます。結合されたNVセンター間を適切に操作することで「もつれ状態」を生成します。
画像提供：量子科学技術研究開発機構

このようなNVセンターの電子スピンを利用した量子センサは、実用化に向けた研究開発が進められています。将来的には、タンパク質構造解析などの生命科学、脳磁計や心磁計などの医療、GPSが利用できない環境での位置情報取得、インフラの非破壊検査、宇宙磁場の観測など、幅広い分野への応用が期待されています。

私が目指しているのは、複数のNVセンターの間に「量子もつれ」と呼ばれる量子特有の状態を生成し、従来のセンサの感度限界である「標準量子限界」を超える量子センサを実現することです。「量子もつれ」を利用することで、従来よりも高感度な測定が可能になると考えられています。

しかしながら、このような「量子もつれ」をNVセンター間に生成するのは困難でした。その大きな原因は、NVセンターを近接した位置に形成する技術が確立されていなかったことです。NVセンター間に「量子もつれ」を生成するためには、双極子相互作用と呼ばれるお互いに作用する力を介してNVセンター同士を結合させる必要があります。しかし、この相互作用は非常に弱く、数nm（～10-9mm）といった箇所に集積的にNVセンターを形成しなければ「量子もつれ」を生成できません。そのため、「量子もつれ」を生成するNVセンターに適した形成手法を確立することが求められてきました。

当研究所ではイオンビームを用いて集積的にNVセンターを形成する技術を開発しております。イオン源に有機化合物を採用し、2019年には3つのNVセンターの集積的な形成に成功しました。現在は、その技術を活用しながら量子もつれ状態の生成と高感度センシングへの応用を進めています。