シリコン チップ上に 150,000 量子ビットが作成: 単一スピンの最初の光学検出が Nature に掲載

量子コンピューターは、古典的なコンピューターが何十億年も解決できなかった問題を理論的に解決できますが、それは十分な量子ビットがある場合に限られます。最近、サイモン フレイザー大学の研究者は、単一チップ上に 150,000 個を超えるシリコンベースの量子ビットを作成し、光で接続することで、量子インターネットに接続された強力な量子コンピューターの作成に役立つと期待されています。

関連論文「シリコン内の単一スピンの光学的観察」が「Nature」誌の最新号に掲載されました。

論文アドレス: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

自然界で最高の天然量子ビットの 1 つ: シリコンスピン

古典的なコンピューターは、トランジスタをオンまたはオフにすることによってデータを 1 または 0 として表現します。対照的に、量子コンピューターは量子ビットを使用します。そして、量子物理学の超現実的な性質により、量子ビットは本質的に 1 と 0 を同時に表す重ね合わせ状態で存在することができます。この現象により、各量子ビットが 2 つの計算を同時に実行できるようになります。量子コンピューターでは、より多くの量子ビットが接続またはもつれ合うほど、計算能力は指数関数的に増加します。

現在、量子コンピューターはノイズの多い中規模量子 (NISQ) プラットフォームであり、その量子ビットの数は最大で数百に達する可能性があります。しかし、実用的なアプリケーションで有用であることを証明するには、将来の量子コンピューターでエラーを打ち消すために数千の量子ビットが必要になる可能性があります。

同時に、超伝導回路、電磁トラップイオン、凍結ネオンなど、多くの異なるタイプの量子ビットが開発されています。この研究で、研究者らは、シリコンで作られたスピン量子ビットが量子コンピューティングの分野で良好な開発の見通しを持っている可能性があることを発見しました。

論文の共同責任著者の一人であり、サイモン・フレーザー大学の量子工学者兼准教授であるステファニー・シモンズ氏は、「シリコンスピンは自然界で最高の天然量子ビットの一つです

」と述べています。 Stephanie Simmons

スピン量子ビットにおけるスピンは、北または南を指すコンパスと同じように上または下を指すことができる粒子 (電子や原子核など) の角運動量です。スピン量子ビットは、双方向に同時に配置された重ね合わせ状態で存在できます。

シリコンスピン量子ビットは、これまでに作成された量子ビットの中で最も安定したものの 1 つです。 この技術は、世界の半導体産業による数十年にわたる開発作業に支えられ、理論的には急速に進歩しました。これまで科学者たちはシリコン電子の単一スピンのみを測定してきました。これは、スピンをもつれさせる唯一の方法が電磁気的であることを意味し、これは互いに非常に近接した量子ビットを使用して行う必要があり、工学的な観点からスケールするのは困難です。

サイモン・フレイザー大学の研究者らは、シリコン量子ビット内の単一スピンを初めて光学的に検出しました。シモンズ氏は、スピン量子ビットへのこの種の光アクセスは、いつか光を使用してチップ上で量子ビットを互いに絡ませることができると考えている。

新しいスピン量子ビットは、イオン注入または高エネルギー電子放射線を使用して作成されるシリコンの内部欠陥である放射線損傷中心に基づいています。 具体的には、それらは T センターと呼ぶことができ、それぞれは 2 つの炭素原子、1 つの水素原子、1 つの不対電子から構成されます。

各 T センターには不対電子スピンと水素核スピンがあり、それぞれが量子ビットとして機能します。 その中で、電子スピンは 2 ミリ秒以上一貫性または安定状態を維持でき、水素核スピンは 1.1 秒間一貫性を維持できます。このシリコンスピン量子ビットの長寿命は、すでに競争力があります。

シリコンの単一中心

研究者らは、市販の業界標準の絶縁シリコン集積フォトニックチップ上に「マイクロパック」と呼ばれる15万個のドットを印刷した。 各マイクロディスクの幅は 0.5 から 2.2 ミクロンまで異なり、すべて平均的な T センターがあります。

顕微鏡下: 何千ものマイクロディスクアレイ

磁場の影響下で、各Tセンターのスピン量子ビット状態はわずかに異なるエネルギーを持ち、それぞれが放出します光の波長が異なります。これにより、科学者は光学検出を通じて T センタースピン量子ビットの状態を検出できるようになります。

統合され光学的に結合されたTセンター

スピン量子ビットによって放出される波長は、近赤外Oバンド（1260〜1360 nm）にあります。これは、電気通信ネットワークでよく使用される光を発することでスピン量子ビットが他の量子ビットと接続し、量子プロセッサ内で連携して、量子コンピュータが量子インターネット上で連携できることを意味します。

さらに、「電子スピン量子ビットと核スピン量子ビットは一緒に動作することができます。核スピンは長寿命メモリ量子ビットとして、電子スピンは光結合通信量子ビットとして、マイクロ波場を使用してそれらの間の情報を交換できます」とシモンズ氏は述べました。 。 「高性能量子メモリを長距離光子と直接結び付け、そのような商業的展望を実証できる物理量子システムは他にありません。シリコンチップは、現代のマイクロエレクトロニクスと統合フォトニクスの最高のプラットフォームです

将来の展望

」 興味深いことに、科学者たちはこう述べています。 1970 年代にはすでに T センターの存在を知っていました。 「なぜ私たちがシリコンチップ上の量子ビットとしてTセンターの研究を始めた最初のグループだったのか分かりません」とシモンズ氏は語った。 「シリコンチップのスピン光量子ビットは、ダイヤモンドや炭化ケイ素などの他の材料の候補と競合できないと研究者が信じている可能性があります。これは私たちにとって謎です

しかし、現在の研究は新たな展望を示しています。」 「私たちはこれらの量子ビットの基本的なスケーラビリティに非常に興奮しています」とシモンズ氏は語った。 「これは国際的な量子コンピューター競争への新規参入者となり、未来は非常に明るいと考えています

研究者らはこの新しい研究で多くの量子ビットを作成しましたが、これらはまだ実用的な量子コンピューターに接続されていません。」 「シモンズは付け加えた。 「これらのスピンへの光アクセスにより、他の多くの方法よりも配線が容易になりますが、この技術はまだ開発されておらず、やるべきことはまだたくさんあります

」

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