量子技術は、次世代のコンピュータ、センサー、通信ネットワークの構築に役立つ可能性を秘めていますが、そのためには、量子ビットを個別に制御し、情報を長期間保持できるスケーラブルなプラットフォームを構築する必要がある。シカゴ大学の新しい研究では、科学者たちがまさにそれを実現した。

プリツカー分子工学研究所のチームは、電気自動車やLED電球に使われている一般的な材料である炭化ケイ素の中で、原子状の量子メモリを制御することを実証した。そして、この制御を利用して、量子メモリと半導体材料に閉じ込められた電子との間に「もつれた状態」を作り出すことに成功したのである。

9月21日、Nature Materialsに発表されたこの研究は、単一原子のコアに量子情報を符号化して書き込む方法を効果的に示したもので、非常に長い時間動作可能な量子ビット(コヒーレント)を構築する可能性を解き明かしました。この研究結果は、量子コンピューティングに大きな意味を持つと著者らは述べている。

シカゴ大学のステートメントによると、「デスクトップコンピュータがさまざまな目的のためにさまざまな種類のメモリを持っているように、量子技術にも同様のニーズがあると考えている」と共同研究者のAlexandre Bourassa(シカゴ大学プリツカー分子工学大学院の大学院生)は述べている。「私たちの閉じ込められた電子はCPUのようなもので、異なる核スピンを量子RAMやハードドライブとして効果的に利用して、量子情報を中長期的に保存することができる」。

半導体材料は、電子結合で結ばれた原子核の配列です。これらの原子核の中には「スピン」と呼ばれる性質を持つものもある、そうでないものもあります。スピンを持つ原子核は、量子情報をコード化するために利用することができる。

共同研究者のクリス・アンダーソン(シカゴ大学ポスドク研究員)は、「原子核のスピンは、我々が知っている中で最も頑健な量子システムの一つです」と述べている。「その量子状態は数時間から数日も続くことがある。このため、量子メモリの構築には理想的だ」と述べている。「ほとんどの量子技術が情報を保持できるのは ほんの数秒だが、これは永遠の時間だ」。

これらの核と相互作用するために、科学者たちは磁気共鳴画像法(MRI)に似た技術を用いたが、かさばる磁気室の代わりに単一の電子を使用した。この "原子スケールMRI" を用いて、原子の核を制御することができた。

「トリックは、目的のスピンを持つ原子核の数を正確に制御することだ。原子核の数が少なすぎると装置内のメモリが不足してしまうが、数が多すぎると独立して分離して制御することができなくなる」と、実験的なブレークスルーを解釈して導くための理論モデルを開発した共著者である大学院生のニキータ・オニズフクは述べている。

シカゴ大学のリュー・ファミリー教授であり、アルゴンヌ国立研究所の上級科学者でもあるジュリア・ガリは、「理論、計算、実験を統合することは、これらの量子メモリを最適化するために非常に重要だ」と述べている。理論と材料成長の共同研究者と協力して、チームは、これらの量子メモリを最適化することが可能であることを示した。

プリツカー分子工学大学院のスピントロニクス・量子情報学分野のリュー・ファミリー教授であるDavid Awschalomは、「今日の集積回路に見られるような最先端のトランジスタ1個よりも小さなフットプリントで、数十個の高品質な量子メモリを持つ材料を開発できると信じている」と述べている。Awschalomは、アルゴンヌ国立研究所の上級科学者であり、シカゴ量子取引所の所長であり、アルゴンヌ国立研究所が主導するエネルギー省の国立量子情報科学研究センターであるQ-NEXTの所長でもある。

Awschalomは、今回の成果は、半導体デバイスにおける量子技術の創出に必要な重要な要素を確立し、将来の量子インターネットの重要なプラットフォームとなるだろうと付け加えている。

引用元: “Entanglement and control of single nuclear spins in isotopically engineered silicon carbide,” A. Bourassa, C. P. Anderson et al., Nature Materials, Sept. 21, 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-00802-6

Photo: Researchers Alexandre Bourassa (left) and Chris Anderson (right) next to their quantum measurement instrumentation at the University of Chicago Pritzker School for Molecular Engineering. (Photo by Cyrus Zeledon)