研究者がより良い量子ビットを得るためにダイヤモンドを引き伸ばす新しい方法を発明

2023 年 12 月 01 日

(Nanowerkニュース) 米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所、シカゴ大学、ケンブリッジ大学の研究者のおかげで、将来の量子ネットワークはそれほど無理のないものになるかもしれません。研究者チームは、量子ネットワーク工学におけるブレークスルーを発表しました。ダイヤモンドの薄膜を「伸ばす」ことで、大幅に削減された設備と費用で動作できる量子ビットを作成しました。この変更により、ビットの制御も容易になります。研究者らは、 フィジカルレビューX (「歪み調整されたダイヤモンド膜ヘテロ構造における錫空孔スピン量子ビットのマイクロ波ベースの量子制御とコヒーレンス保護」）、将来の量子ネットワークをより実現可能にすることができます。ダイヤモンドの薄膜を延伸する研究者らは、ダイヤモンドの薄膜を「伸ばす」ことで、大幅に削減された設備と費用で動作できる量子ビットを作成した。（イラスト：ピーター・アレン）「この技術を使用すると、これらのシステムの動作温度を劇的に上昇させることができ、システムの動作に必要なリソースの消費量が大幅に減ります」と、シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の助教授であるアレックス・ハイ氏は述べています。誰の研究室が研究を主導したのか。量子ビット (キュービット) には、コンピューティングネットワークの将来を模索する科学者にとって興味深いユニークな特性があります。たとえば、ハッキングの試みを事実上防ぐことができます。しかし、それが日常的なテクノロジーとして広く普及するまでには、解決しなければならない大きな課題があります。主な問題の XNUMX つは、量子ネットワークに沿って情報を中継する「ノード」内にあります。これらのノードを構成する量子ビットは熱と振動に非常に敏感であるため、科学者はそれらを極低温まで冷却して動作させる必要があります。「今日のほとんどの量子ビットには、部屋ほどの大きさの特別な冷蔵庫と、それを実行するための高度な訓練を受けた人々のチームが必要です。したがって、10 キロメートルまたは XNUMX キロメートルごとに XNUMX つ構築する必要がある産業用量子ネットワークを想像している場合、今ではかなりのインフラと労働力について話している」とハイ氏は語った。ハイの研究室はアルゴンヌの研究者と協力して、これらの量子ビットが作られる材料を実験して、技術を改善できるかどうかを確認しました。最も有望なタイプの量子ビットの XNUMX つはダイヤモンドから作られます。「グループ IV 色中心」として知られるこれらの量子ビットは、量子もつれを比較的長期間維持する能力で知られていますが、そのためには絶対零度よりわずかに高い温度まで冷却する必要があります。チームは、材料の構造をいじって、どのような改善ができるかを確認したいと考えていましたが、ダイヤモンドの硬さを考えると、これは困難な作業でした。しかし、科学者たちは、熱いガラスの上にダイヤモンドの薄い膜を置くと、ダイヤモンドを分子レベルで「伸ばす」ことができることを発見した。ガラスが冷却されると、ダイヤモンドよりも遅い速度で収縮し、ダイヤモンドの原子構造がわずかに引き伸ばされます。これは、その下の地球が冷えたり温めたりするにつれて舗装が膨張または収縮するのと同じだとハイ氏は説明しました。この引き伸ばしは、原子を微量だけ引き離しますが、材料の挙動に劇的な影響を与えます。まず、量子ビットは最大 4 ケルビン (華氏マイナス 452 度) の温度でもコヒーレンスを維持できるようになりました。これはまだ非常に寒いですが、それほど専門的ではない機器でも達成できます。「インフラストラクチャと運用コストには桁違いの違いがあります」とハイ氏は言います。第二に、この変更により、マイクロ波による量子ビットの制御も可能になります。以前のバージョンでは、情報の入力とシステムの操作に光波長の光を使用する必要があり、ノイズが発生し、信頼性が完璧ではありませんでした。しかし、新しいシステムとマイクロ波を使用することにより、忠実度は 99% まで上がりました。これら両方の分野で同時に改善が見られるのは珍しいことだと、Xinghan Guo博士は説明した。ハイの研究室の物理学の学生であり、論文の筆頭著者。「通常、システムのコヒーレンス寿命が長い場合、それはそのシステムが外部干渉を『無視』するのが得意だからです。つまり、その干渉に抵抗しているため、制御が難しくなっているということです」と同氏は述べた。「材料科学で非常に根本的な革新を起こすことで、このジレンマを埋めることができたのは非常に興味深いことです。」「ダイヤモンドのグループ IV 色中心に作用する物理学を理解することで、私たちは量子応用のニーズに合わせてその特性を調整することに成功しました」と、この研究の共著者でもあるアルゴンヌの科学者ベンジャミン・パンゴー氏は述べています。