Sungkyunkwan University (SKKU)のHosung Seo教授率いる国際研究チームは、University of Wisconsin–MadisonおよびUniversity of Washingtonの研究者と共同で、酸化亜鉛(ZnO)中の新規原子欠陥が高忠実度「スピン量子ビット」として機能できることを計算により特定した。PRX Quantumに掲載されたこの研究成果は、モリブデン-酸素空孔複合体[(MoZnvO)2+]を光学的にアドレス可能な深準位スピン三重項欠陥として提案している。この発見は、すでに世界的な商業製造プロセスに深く統合されているワイドバンドギャップ半導体であるZnOにおいて、堅牢な室温スピン量子ビットが初めて特定されたことを示している。
現在、ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は、室温で量子情報を保持できるため、固体スピン量子ビットのゴールドスタンダードとなっている。しかし、ダイヤモンドは大面積単結晶として成長させることが非常に困難であり、標準的なCMOS製造技術とは根本的に互換性がない。酸化亜鉛は非常に魅力的な代替材料を提供する：分子線エピタキシー(MBE)により超高純度の大面積ウェハとして成長可能であり、天然に「磁気的に静か」である(酸素同位体は99.7%が核スピンを持たず、デコヒーレンスノイズを低減する)。
ZnOでは浅いドナー欠陥(IndiumやGalliumなど)が以前から研究されてきたが、その低い結合エネルギーは動作を極低温に制限し、発光を紫外線スペクトルに限定する。対照的に、新たに特定された深準位(MoZnvO)2+欠陥は、優れた熱安定性を提供する局在化スピン三重項基底状態を特徴とする。
最先端の密度汎関数理論(DFT)およびグリーン関数(GW)シミュレーションを用いて、チームは周期表全体にわたる置換欠陥を体系的にスクリーニングし、最終的にモリブデン置換に焦点を当てた。得られた(MoZnvO)2+複合体は、実用的な量子光源およびスピン-光子インターフェースに不可欠な3つの重要な物理特性を示した：
- 抑制されたフォノン結合（HR因子）：この欠陥は、従来知られていたZnO欠陥の10～30と比較して、例外的に小さい約5のHuang-Rhys（HR）因子を示した。これにより、光子放出時の結晶格子振動（フォノン）へのエネルギー漏洩が最小限に抑えられ、可視スペクトルにおいて鋭く高効率のゼロフォノン線（ZPL）が得られる。
- ミリ秒スピンコヒーレンス（T2）：第一原理計算により、電子スピンは約4ミリ秒（T2 ≈ 4 ms）のコヒーレンスを維持できると予測され、これは主に常磁性不純物濃度によって制限され、本質的な格子ノイズによるものではない。
- 高忠実度シングルショット読み出し：この欠陥は、抑制されたJahn-Teller歪みと組み合わされた強いスピン軌道結合（SOC）を特徴とする。この独自の電子的幾何学構造により、スピン選択的な項間交差（ISC）が可能となり、研究者は高温下でも単一の光学測定で量子ビットのスピン状態を正確に読み取ることができる。これは量子誤り訂正ロジックにとって重要な要件である。
標準的な酸化物半導体におけるスケーラブルな室温スピン量子ビットへの理論的道筋を確立することで、SKKU主導のチームは、統合量子ネットワークおよび超高感度固体量子センサーの大量生産を加速することを目指している。
PRX Quantumに掲載された完全オープンアクセスの理論論文「Deep Spin Defects in Zinc Oxide for High-Fidelity Single-Shot Readout」の全文、およびSKKU Research Hubの大学ハイライトの概要を参照されたい。
2026年7月25日
