シリコンチップ上に15万量子ビット：単一スピンの初の光学検出がNature誌に掲載

量子コンピュータは、従来のコンピュータでは解決に数十億年かかる問題を理論的に解決できますが、十分な量子ビットがある場合に限られます。サイモンフレーザー大学の研究者らは、1つのチップ上に15万個以上のシリコンベースの量子ビットを作成した。これは光とリンクして、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の構築に役立つ可能性がある。

関連論文「シリコン中の単一スピンの光学的観測」がネイチャー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

自然界で最も優れた量子ビットの一つ：シリコンスピン

古典的なコンピュータはトランジスタのオン/オフを切り替えることでデータを 1 または 0 として表現することが知られています。対照的に、量子コンピュータは量子ビットを使用します。また、量子物理学の超現実的な特性により、量子ビットは重ね合わせ状態で存在することができ、本質的に 1 と 0 の両方を同時に表すことができます。この現象により、各量子ビットは 2 つの計算を同時に実行できるようになります。量子コンピュータでは、接続される、つまり絡み合う量子ビットの数が増えるほど、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、現実世界のアプリケーションで有用であることが証明されるためには、将来の量子コンピューターにはエラーを相殺するために数千の量子ビットが必要になるかもしれない。

一方、超伝導回路、電磁的に捕捉されたイオン、凍結ネオンなど、さまざまな種類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、シリコン製のスピン量子ビットが量子コンピューティングの分野で大きな発展の可能性があると発見した。

「シリコンスピンは自然界で最も優れた量子ビットの一つだ」と、サイモンフレーザー大学の量子工学者で准教授であり、論文の共著者の一人であるステファニー・シモンズ氏は述べた。

ステファニー・シモンズ

スピン量子ビットのスピンとは、電子や原子核などの粒子の角運動量であり、コンパスの針が北や南を指すのと同じように上または下を指すことができます。スピン量子ビットは、両方向に同時に存在する重ね合わせ状態で存在できます。

シリコン スピン キュービットは、これまでに作成されたキュービットの中で最も安定したキュービットの 1 つです。この技術は、世界中の半導体業界におけ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しか測定してきませんでした。これは、スピン同士を絡み合わ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い量子ビットで行う必要があり、エンジニアリングの観点からはスケールアップが困難です。

サイモンフレー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た。シモンズ氏は、スピン量子ビットへのこの光学的アクセスにより、将来的には光を使って量子ビットをチップ上でエンタングルメントすることが可能になると考えている。

新しいスピン量子ビットは、イオン注入や高エネルギー電子照射によって生成されるシリコン内の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、これらは T センターと呼ばれ、それぞれ 2 つの炭素原子、1 つの水素原子、および 1 つの不対電子で構成されています。

各 T 中心は不対電子スピンと水素核スピンを持ち、それぞれが量子ビットとして機能します。そのうち、電子スピンは 2 ミリ秒以上一定または安定した状態を維持でき、水素原子核スピンは 1.1 秒間一定を維持できます。このシリコン スピン キュー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、「マイクロパック」と呼ばれる15万個のドットを、商用の業界標準シリコン・オン・インシュレータ集積フォトニックチップに印刷した。各マイクロディスクの幅は 0.5 ～ 2.2 マイクロメートルの範囲で、平均してすべてに 1 つの T 中心がありました。

顕微鏡で見る: 何千もの小さなディスクの配列

磁場の影響下では、各 T 中心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、それぞれ異なる波長の光を放出します。これにより、科学者は光学検出を通じて T 中心スピン量子ビットの状態を検出できるようになります。

統合型および光学的に結合されたTセンター

スピン量子ビットの放射波長は近赤外 O バンド (1260 ～ 1360 nm) にあります。これは、スピン量子ビットが光を発することで他の量子ビットに接続できることを意味し、これは通信ネットワークでよく使用され、量子プロセッサ内で連携して動作し、量子インターネット上で量子コンピュータが連携するのに役立ちます。

さらに、「電子スピンと核スピンの量子ビットは一緒に動作させることができる。核スピンは長寿命のメモリ量子ビットとして、電子スピンは光学的に結合した通信量子ビットとして動作し、マイクロ波場を使用してそれらの間で情報を交換することができる」とシモンズ氏は述べた。 「高性能の量子メモリと長距離光子を直接結び付け、商業的な可能性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。」

今後の展望

興味深いことに、科学者たちは 1970 年代にすでに T センターの存在を知っていました。 「どういうわけか、私たちは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でした」とシモンズ氏は言う。 「研究者たちは、シリコンチップ内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には太刀打ちできないと考えていた可能性があります。それは私たちにとって謎でした。」

しかし、現在の研究は新たな展望を示しています。 「これらの量子ビットの根本的なスケーラビリティには本当に興奮しています」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であり、非常に明るい見通しがあると考えています。」

研究者らは新たな研究で多数の量子ビットを作製したが、「これらはまだ機能する量子コンピュータに接続されていない」とシモンズ氏は付け加えた。 「これらのスピンに光学的にアクセスできれば、配線は他の多くの方法よりもはるかに簡単になりますが、この技術はまだ初期段階であり、やるべきことは山積しています。」