アメリカの科学者たちは、シリコン量子デバイスにおける隠れた原子の無秩序を発見しました。これは、なぜ特定の量子ビット（qubit）が失敗したり不安定な動作を示すのかという長年の問題の解決に役立つ可能性があります。この研究は、アルゴンヌ国立研究所（Argonne National Laboratory、略称ANL）のチームによって行われました。研究者たちは、Intelが製造した12量子ビットのシリコン量子ドットプロセッサを調査しました。研究のために、彼らは高感度の測定技術を使用して、材料のナノスケールでの変化を描きました。
分析の結果、長年の量子ビットの問題は原子レベルのランダムな変化に起因していることが明らかになりました。これらの発見は、より信頼性の高いシリコン量子ビットやより大規模な量子コンピュータの開発を促進する可能性があります。シリコンスピン量子ビットは、既存の半導体製造方法を使用できるため、潜在能力を持っています。
ANLは次のように述べています。「本研究は、量子井の中の原子レベルの無秩序が谷分裂の変動性の主要な原因であることを明らかにしました。」従来のコンピュータのビットが0または1で情報を表すのとは異なり、シリコンスピン量子ビットは個々の電子のスピンに依存しています。電子のスピンは磁場の中で上向きまたは下向きに指すことができ、小さなコンパスのようです。これらの量子ビットを作成するために、科学者たちは単一の電子を非常に薄いシリコンの層に捕らえます。この層は量子井と呼ばれています。シリコン中の電子は、谷状態と呼ばれる別の量子特性も持っています。これらの状態間のエネルギー差は谷分裂と呼ばれます。アルゴンヌ国立研究所に位置するシカゴ量子計算テストプラットフォーム。
画像（ANL）
研究がシリコン量子デバイスにおける原子の無秩序が量子ビットの性能に与える影響を明らかにする
谷分裂は、量子計算に使用される電子スピン状態と競合しています。谷分裂があまりにも小さくなると、電子は不要な谷状態に漏れ出す可能性があり、これがエラーを引き起こし、量子ビットの忠実度を低下させる可能性があります。チームは材料の欠陥や不整合が影響を与えていると考えていますが、これらの変化の根本的な原因は依然として不明です。この問題を調査するために、研究チームはシカゴ量子計算テストプラットフォームを使用しました。このプラットフォームは、国家量子情報科学研究センターQ-NEXTによって運営されています。これは、アメリカの国立研究所による初のフルスタック固体量子ビットテストプラットフォームです。
科学者たちは、量子ドットがシリコン量子井の中での位置を調整する際に、谷分裂を測定するために電光スペクトロスコピーに依存しました。これにより、谷分裂がある位置から別の位置にどのように変化するかを示すナノスケールの地図を作成できました。その後、彼らはこれらの変化が異なる距離でどのように変化するかを評価し、合金量子井におけるランダムな原子変化が谷分裂の変動性の主要な原因であることを発見しました。変動性の源を理解することは、半導体メーカーがシリコン量子デバイスの生産における材料と製造プロセスの改善に集中するのに役立ちます。この協力は、Intelの半導体製造とANLの量子専門知識を組み合わせたものです。
ANLの科学者、ジョナサン・マークス（Jonathan Marcks）博士によれば、この作業はこの分野の最大の障害の一つを取り除くことで研究を加速できるといいます。彼はプレスリリースで次のように述べています。「いくつかの量子ドット量子ビットを構築することさえ難しい。しかし、Intelと協力して量子ドットを使用して実用的なデバイス上で大量の量子ビットを製造するという展望は突然より現実的になりました。」原子変化を減少させることは、製造業者がより一貫した谷分裂と高い忠実度を持つシリコン量子ビットを生産するのに役立つ可能性があります。これにより、量子プロセッサの大量の量子ビットへの拡張が容易になります。
この研究は、アメリカ合衆国エネルギー省科学局のQ-NEXTセンターによって資金提供され、『Nature Communications』ジャーナルに掲載されました。