プリンストン、量子もつれNVセンター利用で感度40倍の量子ダイヤモンドセンサーを開発

プリンストン大学の研究チームは、ナノスケールでの磁気現象を解明するためのダイヤモンドを基盤とした量子センサーを開発した。この技術は、従来の測定機器では捉えきれなかった磁場の微細な変動を検出し、グラフェンや超伝導体といった先端材料の理解に不可欠な洞察を提供する。本研究の成果は、2025年11月26日に学術誌『Nature』に掲載され、先行する手法と比較して約40倍の感度向上を達成したことが報告されている。

この高感度センサーの核心は、実験室で育成されたダイヤモンドの表面近くに人工的に作製された窒素-空孔（NV）センターの対にある。研究チームは、2つのNVセンターを極めて近接して配置し、量子力学的な相互作用、すなわち量子もつれを利用することで、センサー性能を飛躍的に向上させた。このもつれ合った電子対は同期して振る舞い、ノイズの多い変動の中から目的のシグナルを三角測量的に特定することを可能にした。この手法は、原子スケールと可視光の波長の中間に位置するスケールで、これまで観測不可能だった物理量を測定する能力を研究者に与える。

本研究を主導したプリンストンのナタリー・デ・レオン准教授と、理論的考察を開いたジャレッド・ロヴニー氏が主要な関係者である。ロヴニー氏は、COVID-19パンデミック中に研究室へのアクセスが制限された際、デ・レオン氏と共にNVセンターを用いた磁気ノイズ相関の検出理論を探求し始めた。彼らは、もつれ合いを利用することで、煩雑な相関検出手法を回避し、単一の通常測定で結果を得られるという利点に気づいた。デ・レオン氏は、この新しい方法論が、以前の相関検出手法に伴う煩雑な問題を迂回し、単一の通常測定を可能にしたと結論付けている。

この高感度センサーの実現には、ダイヤモンド表面に窒素分子を高速で照射し、衝突によって分解された窒素原子をダイヤモンド結晶構造内に埋め込むという、精密な工学的プロセスが関与している。この制御により、2つの窒素原子が約10ナノメートル間隔で配置され、量子もつれが誘発された。このダイヤモンドベースの検出技術は、約5年間にわたる開発の歴史があり、2022年にはロヴニー氏、デ・レオン氏、シモン・コルコウィッツ氏による、もつれ合っていないセンターの相関を検証した『Science』誌の論文に繋がっていた。

本研究には関与していないハーバード大学の実験物理学者フィリップ・キム氏は、従来の技術が原子の注意深く構築された格子に限定されていたのに対し、この新しい手法は実際の材料を直接プローブできる点を強調した。キム氏は、超伝導体やグラフェンといった材料の研究において、この直接プローブ能力が重要であると指摘している。超伝導体は、最先端の医療画像診断装置の基盤であり、将来的には損失のない送電線や磁気浮上式鉄道の実現が期待されている。

この技術的飛躍は、原子スケールと可視光の波長スケールの中間領域における磁気現象の解明を加速させる。具体的には、電子が材料内を移動する距離や、超伝導材料に出現する磁気渦の進化といった、これまで捉えられなかった量を測定することが可能になる。キム氏の研究グループは、低次元材料における量子輸送や、グラフェンと超伝導体の界面現象を研究しており、この新しいセンサー技術は、彼らの研究分野に新たな道を開くものである。2025年11月26日の『Nature』掲載論文は、量子情報科学の進展と、物質科学における新たな測定パラダイムの確立を示唆している。