Nature Communications誌に掲載された新しい超伝導量子ビットの研究結果は、次のことを示しています。
超伝導量子ビット
従来の計算モデルは、古典力学の法則に対応する物理的解。これは、たとえば、最新のプロセッサのほとんどがどのように機能するかです。量子コンピューティングは、原子および亜原子粒子のスケールで発生する現象を使用して、情報を伝達および処理します。
量子コンピューティングにはさまざまなモデルがあり、ただし、最も一般的なものには、キュービットと量子ゲートの使用が含まれます。量子ビットは 2 つの可能な状態を持つシステムであり、それらのいずれかまたは両方の重ね合わせにあることを思い出してください。量子ゲートは、基本的な論理演算を実行するデジタル回路の基本要素です。特定の法則を適用した後、初期値を考慮して、キュービットの状態がどのように変化するかを説明します。
量子効果は超小規模では、量子ビットとゲートを作成することは非常に困難な作業です。有用な量子コンピューターを構築するための多くのアプローチの中で、超伝導量子ビットが最も人気を博しています。それらを作成するために、エンジニアは量子効果がマクロレベルで現れ始める絶対零度に近い温度を使用します。たとえば、最近導入された 433 量子ビットを含む IBM 量子プロセッサで使用されているのはこのテクノロジです。
クーパーカップルとトランスモン
超伝導体では、多数電荷キャリアクーパーペアです。これは、フォノンを介して相互作用する 2 つの電子の束縛状態です。スピンはゼロで、電荷は電子の電荷の 2 倍です。量子コンピューティングに使用されるのは、全体として機能するこれらの粒子です。
最も単純な電荷量子ビット、またはブロッククーパーペアは、その状態によってアイランド内に過剰なクーパーペアが存在するかどうかが決まる要素です。このようなコンポーネントは、ジョセフソン接合によって超伝導リザーバに接続された小さな超伝導アイランドによって形成されます。この接合では、臨界電流が抑制され、2 つの超電導体間の薄い絶縁層または非超電導層をトンネル電流が流れます。
量子ビットの状態は数によって異なります接続をトンネリングしたクーパー ペア。トンネリング効果は、量子ビットとして機能する量子非調和振動子を設計するために使用されます。
電荷キュービット回路の概略図。島は、ゲートコンデンサと接合容量との間の超伝導電極によって形成される。画像：イーサリアム
電荷量子ビットは次を使用して作成されますマイクロエレクトロニクスで使用されているものと同様の技術。デバイスは通常、電子ビーム リソグラフィーと金属薄膜蒸着を使用して、シリコンまたはサファイア ウェーハ上に構築されます。
この場合、ジョセフソン接合は、シャドウエバポレーションを使用。これは、電子ビーム レジストのリソグラフィで定義されたマスクを介して、親金属が 2 つの角度で交互に蒸発するプロセスです。これにより、超伝導金属の 2 つの重なり合う層が形成され、その間に絶縁体の薄い層が堆積されます。
このような量子ビットは非常に簡単に作成できますが、古典的なコンピューターで使用されている成熟したテクノロジーを使用しているため、外部ノイズの影響下で急速なデコヒーレンス (エンタングルメントの破壊) が発生するという欠点があります。量子コンピューターが有用な計算を実行するには、量子コンピューターに含まれる情報が 100% に近い精度でなければなりません。量子ビットが配置されている物質環境の不完全性によって生じる充電ノイズは、情報の精度に悪影響を及ぼします。
4 つのトランスモンで構成される IBM デバイス。画像: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
そのようなキュービットの「寿命」を延ばすために、2007 年、イェール大学の研究者がシステムを完成させ、トランスモンを作成しました。これはクーパーペアのブロックで、ジョセフソン接合がさらに大きな容量コンデンサでシャントされています。容量性ノイズに対する感度の低下により、コヒーレンス時間がクーパーペアのブロックの1〜2 nsからトランスモンのほぼ100 nsに増加しました。
ユニモンは新しい超伝導量子ビットです
量子プロセッサ内のユニモンの芸術的なイラスト。画像: アアルト大学アレクサンダー・カキネン
開発は大幅に進んでいるにもかかわらず、現在使用されている量子コンピューティング、量子ビットの設計および方法は、広く実用化するのに十分な高いパフォーマンスを提供しません。実装された計算の複雑さは、主に 1 量子ビットと 2 量子ビットを持つ量子要素のエラーによって制限されます。
この問題を解決するために、研究者は新しいタイプの超伝導キュービットを開発しました。それらは、非調和性の増加 (高調波の「変動」からのシステムのエネルギーの逸脱)、DC ノイズに対する完全な無感度、磁気ノイズに対する感度の低下、および単純な構造を兼ね備えています。
デバイスは、1 つのジョセフソンで構成されています接合部は線形インダクタによってシャントされ、コンデンサは誘導エネルギーが主にジョセフソン エネルギーによって補償されるモードで動作します。この特性により、低周波電荷ノイズに対する完全な耐性とフローノイズからの部分的な保護を備えた高レベルの非調和性がもたらされると研究者は指摘しています。
ユニモンの実験的デモンストレーションのために、科学者それぞれが3つのユニモンキュービットで構成されるチップを設計および製造しました。彼らは、超伝導リードがアルミニウムでできていたジョセフソン接点を除いて、ニオブを超伝導材料として使用しました。
左：3 つのユニモン (青)、読み出しキャビティ (赤)、ドライブ ライン (緑)、およびプローブ接続ライン (黄) を含むシリコン チップの疑似カラー顕微鏡画像。右: ユニモンの測定に使用される簡略化された実験装置。画像: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
彼らのデバイスで、科学者は達成しました3 つの異なるユニモン キュービット上の 13 ns シングル キュービット ゲートで 99.8% から 99.9% の精度。研究者は、トランスモンよりも非調和性または非線形性が高いため、ユニモンはより速く処理でき、操作ごとのエラーが少なくなることに注意しています。
Unimons は非常にシンプルですが、多くの利点があります。トランスモンズ前。これまでに作成された最初のユニモンが非常にうまく機能したという事実は、最適化と大きなブレークスルーの余地を大きく広げます。
Mikko Mettonen、アールト大学量子技術教授
研究者は引き続き改善に取り組みます99.99% の精度という目標を超える設計、材料、およびユニモン ゲート時間により、多数のキュービットに基づく実用的なデバイスで有用な量子的利点と効率的なエラー修正が作成されます。
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