科学研究 - 【先驱科研人】利用液态氦和固态氖中的“悬浮电子”，研发量子计算机的高性能量子比特

川上恵里加
国立研究开发法人理化学研究所量子计算研究中心理研白眉研究团队负责人
出生于大阪府。2016年完成荷兰代尔夫特理工大学博士课程，获博士学位。曾任冲绳科学技术大学院大学博士后研究员，2020年起任现职。2017～2020年任先驱研究员，2020年起任创发研究员，2025年成为ASPIRE研究员。

Q1 怎样的契机让您立志成为一名研究者？
A1契机是牛顿运动三定律和量子力学带来的震撼

高中时期，物理课上学习牛顿运动三定律时，受到很大震撼，感觉自己看待世界的方式一下子发生了改变。原来自然界的各种现象都可以用简单的数学公式来描述，这种直指事物本质的魅力深深吸引了我。上大学后，我陆续读了一些科学家的传记，对科学家这一职业越来越向往，也开始认真考虑将研究作为自己的职业。

学习量子力学时感受到的震撼，甚至超过了高中时的那次体验。量子力学能够精确地描述那些日常感觉难以置信的现象，并将其作为支配这个世界的基本规则。我迷恋上了这样的研究方式——排除感情和主观臆断，通过层层推进的逻辑推理，最终抵达真相。

大三时，我抱着“想看看外面更广阔的世界”的想法，前往法国留学。留学期间，我在意大利参加实习，第一次接触到了量子信息理论，并由此对量子计算机产生了兴趣。回国后，我取得硕士学位，随后进入荷兰代尔夫特理工大学攻读博士学位。来自世界各地、致力于开发不同类型量子计算机的研究人员聚集在此，在这样先进的研究环境中，我也全身心投入到了利用半导体中的电子实现量子比特的研究中。

Q2 目前正在开展什么研究？
A2 将悬浮于真空中的电子用作量子比特

电子可以悬浮在液氦或固态氖表面附近的真空中，被称为“悬浮电子”。我正在利用这种悬浮电子开展研究，尝试实现作为量子计算机基础的高性能量子比特。量子比特一旦受到杂质或缺陷带来的噪声干扰影响，便会无法维持量子态；而在真空中，则可以大幅减少周围环境带来的干扰。我在博士期间研究半导体中的电子时，发现即使是高品质的硅晶体，也无法避免缺陷和杂质的存在。光是消除这些因素造成的干扰，就需要耗费大量时间。这也是我开始关注真空中电子的契机。

量子比特的实现方式多种多样。超导和半导体量子比特具有易于集成的优势，而离子和冷原子量子比特则能够长时间保持量子态。悬浮电子量子比特的最大优势在于兼具这两方面的优点。不过对于真空中的电子而言，还缺乏通过电学方式测量量子态的技术，而这项技术对于实现量子比特的集成化至关重要。为此，我们开发了一种新的方法，利用共振器等装置，以电学方式读取量子态。这是利用悬浮电子实现量子比特的重要一步。

我现在正在并行开展液态氦和固态氖两方面的研究，但两者各有难题：固态氖存在难以控制电子位置的难题，液氦则存在表面容易产生波动的难题。我一边探索如何克服这些难题，一边在研发量子比特操控所需要的低功耗低温微波振荡器。