チューリッヒ工科大学（ETH Zurich）の研究者たちは、単一の捕獲イオンを利用してチップ表面上の電磁場の高解像度三次元マップを作成する技術を開発しました。これは、将来の量子コンピュータや量子センサーのハードウェアを改善するための新しい方法を提供します。この方法により、科学者は微弱な電場や磁場を検出でき、これらの場は脆弱な量子状態に干渉する可能性があります。これらの測定は、エンジニアが次世代の量子デバイスが広く使用される前に、よりクリーンな材料や製造技術を特定するのに役立ちます。
チップの干渉を追跡することは、捕獲イオン量子コンピュータが直面する最大の課題の一つです。なぜなら、チップ自体が生成する電気ノイズや微小な電磁擾乱が計算に使用される量子状態を破壊し、システムの精度と信頼性を低下させる可能性があるからです。ETH Zurichの研究者たちは、これらの隠れた干渉源を見つけるためのより良い方法を持っていると考えています。
ETH Zurichの新技術が量子コンピュータにより明確な電磁場画像を提供
チームは、単一のバリウムイオンを三次元的に自由に移動させることができるチップベースのペニングトラップに基づいています。従来のイオントラップが振動RF場に依存しているのに対し、ペニングトラップは静電場と磁場を使用します。この設計により、研究者はイオンをより柔軟に配置でき、微弱な振動場を検出しやすくなります。博士研究員のトビアス・ゼーゲッサーは、チームが以前にこのトラップを開発し、三次元空間でイオンを自由に移動させることができるようになったと述べています。今回の最新研究では、その能力を利用してチップ上方の空間をスキャンし、詳細な電磁マップを構築しました。
微弱信号の測定プロセスは、単一のバリウムイオンをレーザーで冷却し、最低の量子運動状態に達するまで続けられます。その後、研究者はトラップ電極上の電圧を調整してイオンをチップ上方の異なる位置に移動させます。この設定により、200マイクロメートル×200マイクロメートルの領域をスキャンし、表面から50〜450マイクロメートルの高さで測定を行います。イオンが測定点に到達すると、チップが生成する微弱な電場がトラップ内での運動を徐々に強化します。追加のレーザーパルスは、イオンの量子状態の変化の程度を示し、研究者が周囲の電場の強度を計算できるようにします。
ゼーゲッサーは、チームがチップトラップ内で振動電場の最も敏感な測定を実現したと述べ、システムが1秒間に検出した信号はわずか10ナノボルト毎メートルです。これに対して、携帯電話の電磁場は数キロメートル離れていても約10,000倍強いです。研究者たちは、雑音電場がイオンを静止位置からどのように偏らせるかを観察することによって静的電場を測定し、イオンのエネルギーレベルの変化を追跡することで磁場を特定しました。
教授のジョナサン・ホームは、科学者たちが30年以上にわたり量子チップ近くの電場ノイズの発生源を特定しようと努力してきたと述べています。この新しい方法は、正確な三次元測定を提供し、研究者が理論モデルと直接比較できるようにし、特定の干渉源を特定しやすくします。ペニングトラップにはもう一つの利点があり、研究者は外部電圧源から一時的に切り離すことができ、以前は実験を複雑にしていた外部の影響を減少させることができます。ホームは、この技術が量子チップに使用される材料をテストするための貴重なツールになると予測しており、エンジニアは異なる表面コーティングや製造方法を比較して、最も少ない電気ノイズを生成する選択肢を特定し、将来の量子コンピュータや量子センサー技術の性能向上に貢献できると述べています。