科學研究 - 【先驅科研人】利用液態氦和固態氖中的「懸浮電子」，研發量子電腦的高性能量子位元

川上恵里加
國立研究開發法人理化學研究所量子計算研究中心理研白眉研究團隊負責人
出生於大阪府。2016年完成荷蘭代爾夫特理工大學博士課程，獲博士學位。曾任沖繩科學技術大學院大學博士後研究員，2020年起任現職。2017～2020年任先驅研究員，2020年起任創發研究員，2025年成為ASPIRE研究員。

Q1 怎樣的契機讓您立志成為一名研究者？
A1契機是牛頓運動三定律和量子力學帶來的震撼

高中時期，物理課上學習牛頓運動三定律時，受到很大震撼，感覺自己看待世界的方式一下子發生了改變。原來自然界的各種現象都可以用簡單的數學公式來描述，這種直指事物本質的魅力深深吸引了我。上大學後，我陸續讀了一些科學家的傳記，對科學家這一職業越來越向往，也開始認真考慮將研究作為自己的職業。

學習量子力學時感受到的震撼，甚至超過了高中時的那次體驗。量子力學能夠精確地描述那些日常感覺難以置信的現象，並將其作為支配這個世界的基本規則。我迷戀上了這樣的研究方式——排除感情和主觀臆斷，透過層層推進的邏輯推理，最終抵達真相。

大三時，我抱著「想看看外面更廣闊的世界」的想法，前往法國留學。留學期間，我在義大利參加實習，第一次接觸到了量子資訊理論，並由此對量子電腦產生了興趣。回國後，我取得碩士學位，隨後進入荷蘭代爾夫特理工大學攻讀博士學位。來自世界各地、致力於開發不同類型量子電腦的研究人員聚集在此，在這樣先進的研究環境中，我也全身心投入到了利用半導體中的電子實現量子位元的研究中。

Q2 目前正在開展什麼研究？
A2 將懸浮於真空中的電子用作量子位元

電子可以懸浮在液氦或固態氖表面附近的真空中，被稱為「懸浮電子」。我正在利用這種懸浮電子進行研究，嘗試實現作為量子電腦基礎的高性能量子位元。量子位元一旦受到雜質或缺陷帶來的雜訊影響影響，便會無法維持量子態；而在真空中，則可以大幅減少周圍環境帶來的干擾。我在博士期間研究半導體中的電子時，發現即使是高品質的矽晶體，也無法避免缺陷和雜質的存在。光是消除這些因素造成的干擾，就需要耗費大量時間。這也是我開始關注真空中電子的契機。

量子位元的實現方式多種多樣。超導和半導體量子位元具有易於整合的優勢，而離子和冷原子量子位元則能夠長時間保持量子態。懸浮電子量子位元的最大優勢在於兼具這兩方面的優點。不過對於真空中的電子而言，還缺乏透過電學方式測量量子態的技術，而這項技術對於實現量子位元的整合化至關重要。為此，我們開發了一種新的方法，利用共振器等裝置，以電學方式讀取量子態。這是利用懸浮電子實現量子位元的重要一步。

我現在正在並行開展液態氦和固態氖兩方面的研究，但兩者各有難題：固態氖存在難以控制電子位置的難題，液氦則存在表面容易產生波動的難題。我一邊探索如何克服這些難題，一邊在研發量子位元操控所需要的低功耗低溫微波振盪器。