新たなスピン制御手法により、10億量子ビット量子チップの実現が近づく | UNSWニュースルーム

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これまで知られていなかった効果の発見により、小型で超高速なスピン量子ビットの制御が可能になった。

新しい「固有スピン軌道EDSR」プロセスを用いて複数の量子ビットを制御する方法を示す図。画像：トニー・メロフ。

UNSWシドニーエンジニアたちは、論理ゲートを実行する量子ドット内に存在する単一電子を精密に制御する新たな方法を発見した。この新しい機構は、従来よりも小型で部品点数も少なく、大規模なシリコン量子コンピュータの実現に不可欠となる可能性がある。

量子コンピューティングのスタートアップ企業のエンジニアによる偶然の発見ディラク UNSWは、ジャーナルに詳細が掲載されている。自然 ナノテクノロジー.

「これはこれまで見たことのない全く新しい現象で、最初はよく理解できませんでした」と、筆頭著者であるウィル・ギルバート博士は語る。ギルバート博士は、ニューサウスウェールズ大学（UNSW）のスピンオフ企業であるDiraq社の量子プロセッサエンジニアで、同大学のケンジントンキャンパスに拠点を置いている。「しかし、すぐにこれが量子ドットのスピンを制御する強力な新しい方法であることが明らかになりました。それは非常に刺激的なことでした。」

論理ゲートは、すべての計算の基本構成要素です。論理ゲートは、「ビット」、つまりバイナリ数字（0と1）が連携して情報を処理できるようにします。しかし、量子ビット（または量子ビット）は、これらの2つの状態に同時に存在します。これは「重ね合わせ」と呼ばれる状態です。これにより、従来のコンピュータでは不可能な、指数関数的に高速なものや、複数の処理を同時に実行できるものなど、多様な計算戦略が可能になります。量子ビット自体は「量子ドット」と呼ばれる、1個または数個の電子を捕捉できる微小なナノデバイスで構成されています。計算を実行するには、電子を正確に制御する必要があります。

磁場ではなく電場を利用する

量子ドットを制御する、わずか数十億分の1メートルサイズのデバイスのさまざまな幾何学的組み合わせと、それらの動作を駆動するさまざまな種類の極小磁石とアンテナを実験しながら、トゥオモ・タントゥ博士 from UNSWエンジニアリング奇妙な現象に遭遇した。

「私は2量子ビットゲートを非常に正確に動作させようと、さまざまなデバイス、わずかに異なる形状、異なる材料スタック、さまざまな制御技術を繰り返し試していました」と、ディラクの計測エンジニアでもあるタントゥ博士は語った。「すると、奇妙なピークが現れました。量子ビットの1つの回転速度が速くなっているように見えましたが、これは私が4年間これらの実験を行ってきた中で一度も見たことのない現象でした。」

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エンジニアたちが後に気づいたのは、彼が発見したのは、これまで使用していた磁場ではなく電場を用いて、単一量子ビットの量子状態を操作する新しい方法だったということだ。2020年にこの発見がなされて以来、エンジニアたちはこの技術を改良し続けており、それはディラク氏が目指す「1つのチップ上に数十億個の量子ビットを構築する」という野望を実現するための新たな武器となっている。

「これは量子ビットを操作する新しい方法であり、構築もより簡便です。制御効果を生み出すために、量子ビットのすぐ隣にコバルト製の微小磁石やアンテナを製造する必要がないからです」とギルバート博士は述べています。「各ゲートの周囲に余分な構造物を配置する必要がなくなるため、すっきりとした印象になります。」

シリコンにおける量子情報処理には、周囲の電子を妨害することなく単一電子を制御することが不可欠である。確立された方法としては、オンチップマイクロ波アンテナを用いた電子スピン共鳴（ESR）と、誘導勾配磁場を利用する電気双極子スピン共鳴（EDSR）の2つがある。今回新たに発見された技術は「固有スピン軌道EDSR」と呼ばれている。

「通常、マイクロ波アンテナは純粋に磁場を発生させるように設計します」とタントゥ博士は述べた。「しかし、このアンテナ設計では、想定よりも強い電場が発生しました。ところが、それが幸運にも、量子ビットを操作するために利用できる新たな効果を発見できたのです。まさにセレンディピティ（偶然の幸運）ですね。」

シリコン上での量子コンピューティングの実現を基盤として

「これは素晴らしい新メカニズムであり、過去20年間の研究で開発してきた独自の技術の宝庫に加わるものです」と述べた。アンドリュー・ズラック教授UNSWの量子工学のサイエンティア教授であり、DiraqのCEO兼創設者であるDzurak教授は、シリコン製初の量子論理ゲート 2015インチ

「これは、特殊な材料に頼るのではなく、既存のコンピューターチップと基本的に同じ半導体部品技術に基づいて、シリコン上で量子コンピューティングを実現するための当社の取り組みをさらに発展させたものです。」

研究チーム：アンドリュー・ズラック教授、ウィル・ギルバート博士、トゥオモ・タントゥ博士。写真：グラント・ターナー。

「この技術は今日のコンピュータ業界と同じCMOS技術に基づいているため、商用生産への規模拡大がより簡単かつ迅速になり、単一チップ上に数十億個の量子ビットを製造するという目標を達成できるでしょう。」

CMOS（相補型金属酸化膜半導体、発音は「シーモス」）は、現代のコンピュータの中核を成す製造プロセスです。マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、メモリチップ、その他のデジタル論理回路といったあらゆる種類の集積回路部品に加え、イメージセンサーやデータコンバータなどのアナログ回路の製造にも使用されています。

量子コンピュータの構築は「21世紀の宇宙開発競争」と呼ばれており、困難な野心的な挑戦であると同時に、複雑な医薬品や先端材料の設計、あるいは膨大で整理されていないデータベースの高速検索など、従来は不可能だった計算に取り組むための革新的なツールを提供する可能性を秘めている。

「人類史上最大の技術的偉業といえば、月面着陸を思い浮かべる人が多いでしょう」とズラク教授は述べた。「しかし実際には、何十億もの動作素子が統合され、まるで交響曲のように機能する今日のCMOSチップこそが、驚くべき技術的成果であり、現代生活を根本的に変革したのです。量子コンピューティングも同様に驚くべきものとなるでしょう。」

出典： 新たなスピン制御手法により、10億量子ビット量子チップの実現が近づく | UNSWニュースルーム