電子の量子状態を検出する新たなアプローチ
量子コンピューティングは、微細粒子の謎めいた特性を利用して複雑な情報を処理します。しかしこの量子システムは脆弱でエラーが発生しやすく、役立つ量子コンピューターはいまだに実現していません。
この度、沖縄科学技術大学院大学（OIST）量子ダイナミクスユニットの研究者らは、電子の量子状態への遷移を検出する新たなアプローチとして鏡像電荷を用いた検出法を考案しました。電子は量子情報の最小単位である量子ビットとして機能し、大規模な計算システムの基礎となるものです。様々なアプリケーションの中でも量子コンピューターは、超伝導、暗号学、人工知能のメカニズムを理解するために利用できる可能性を秘めています。
この成果はPhysical Review Letters誌に掲載され、編集者から特に興味深い論文として選ばれました。
「わずかな数の量子ビットの制御と量子コンピューターの構築との間には大きなギャップがあります。現在最先端の量子ビットを用いても、量子コンピューターはサッカー場のサイズである必要があります。これに対し私たちの新たなアプローチでは、10センチメートル四方のチップを作成できるかもしれないのです。」と論文の筆頭著者である川上恵里加は述べています。
ヘリウム上の電子の新たな可能性
電子は、量子ビットとして使用するためには、電子が自由に動かないように捕獲する必要があります。電子の捕獲システムを作製するため、研究者たちは低温で液化するヘリウムを基質として使用しました。ヘリウムには不純物がないため、これらの電子は他のどの材料よりも長い時間量子状態を保持することが期待でき、このことは量子コンピューターを実現させるために重要です。
コンスタンチノフ准教授、共同研究者である川上恵里加博士とアセム・エルアラビ博士は、平行に配置したコンデンサプレートを内部に含む銅のセル内を絶対温度0.2度（摂氏マイナス272.8℃）にまで冷却し、内部に液体ヘリウムを凝縮しました。 タングステンのフィラメントで生成された電子は、液体ヘリウムの表面に固定されます。 銅のセル内にマイクロ波を照射すると、電子の量子状態が励起され、電子は下部のコンデンサプレートから、上部のコンデンサプレートの方向へ移動します。
今回研究者らは、鏡像電荷と呼ばれる静電現象を観察することで、量子状態の励起を確認することができました。鏡の反射のように、画像における電荷は電子の動きを正確に反映します。電子がコンデンサプレートの近くに移動すると、イメージ電荷がそれに伴い移動します。
今後は、この鏡像電荷を用いた検出法を使用し、量子システムの完全性を損なうことなく、個々の電子のスピン状態または軌道状態を測定したいと考えています。
「今私たちは、多くの電子の集団の量子状態を検出することができています。この新たなアプローチにおける長所は、この技術を単一の電子にスケールダウンし、単一電子を量子ビットとして利用できることです。」と、コンスタンチノフ准教授はコメントしています。
