北京大学の研究者たちは、特別なグラフェンベースの量子材料を製造するための改良された方法を開発しました。さらに拡大し精練されれば、この発見は将来の実用的な量子コンピュータの製造への道を開く可能性があります。彼らの研究によると、チームはダイヤモンド型グラフェンを信頼性高く製造する方法を見つけましたが、その純度とサイズはまだ達成されていません。チームは、この形式のグラフェンは非常に貴重であり、奇異な量子状態を保持しながら安定性を保つことができると説明しています。一般的に、グラフェンは交差して積み重ねられた薄片で構成されており、いわゆるABCABC積み重ね（ダイヤモンド積み重ねとも呼ばれる）が最適と考えられています。
この設定では、薄片が同じ方向に移動し、その後繰り返されますが、これは非常に良いものの稀で不安定です。なぜなら、制御されない状況下でより安定したABAB積み重ねに分解される傾向があるからです。ダイヤモンド型薄片では、構造内の電子の振る舞いに根本的な変化が起こります。チームによれば、これらの電子は異常に強く相互作用し、超伝導状態や「量子ホール相」を含む集団量子状態を形成することができます。
量子計算の巧妙な積み重ね方法
これにより、全体のシステムの状態をエンコードする有用な「トポロジカル」量子ビットとなる可能性があります。これは、単一の脆弱な局所粒子ではなく、内在的にノイズに対してより抵抗力を持つことができます。ノイズは量子計算における主要な障害の一つです。チームのブレークスルーの前、研究者たちは基本的にテープでグラファイトを剥がし、薄片の中で正しい積み重ねを持つサンプルを見つけるまで探さなければなりませんでした。報告によれば、そのようなサンプルは1%未満です。これは個別の物理実験には完全に十分ですが、明らかに理想的な製造方法ではありません。「基本的にはテープで薄片を剥がし、顕微鏡でランダムに正しい積み重ねを持つサンプルを探すということです。それらのサンプルは1%未満です。」
と共同著者の張志斌は説明しました。しかし、新しい製造方法は、制御されたプロセスで「成長」するABC薄片を可能にします。そのために、彼らは微細なステップを持つ酸化アルミニウムの表面を使用して積み重ねをガイドしました。この基盤の上に、触媒および成長テンプレートとして機能する銅ニッケル合金を追加しました。その後、高温を使用して炭素をグラフェンに組み立て、最後のステップを追加して連続層がABC系列に従って移動するように「強制」しました。
結果は印象的です。「私たちが生産したサンプルの純度は99%を超え、最大サイズは160 × 80ミクロン、厚さは120ナノメートルに達します。」研究責任者の劉凱輝は述べています。「私たちは必要に応じて層数を調整でき、数十層から数百層まで可能です。」劉は《南華早報》に対し、この材料は「量子現象の研究に優れたプラットフォームを提供し、類似材料と比較してその豊富さと加工の便利さが利点である」と説明しました。「この材料の発展の可能性を予測することはできませんが、材料の準備はさらなる研究の基盤です。
将来的に応用が現れれば、私たちは次世代の量子デバイスを構築する準備が整います。」と彼は付け加えました。「二次元材料は音響膜やフォトリソグラフィーの熱伝導体においてすでに成熟した応用があります。」と彼は付け加えました。「チップ内では、シリコンやシリコンカーバイドの大規模な置き換えはまだ見られませんが、二次元材料を最も重要な部分、例えばAIチップの最もエネルギーを消費する領域やメモリーチップの最高密度の領域に統合する研究は増加しており、その独自の利点を活用しています。」
将来を見据えて、チームはより小さなダイヤモンド型グラフェン片を組み合わせて、より大きく、デバイスに適した薄片を生産する計画です。