ニューサウスウェールズ大学と量子コンピュータスタートアップのDiraqが共同で、論理ゲートを動かす量子ドットの中にある単一電子を精密に制御する新たな方法を発見した。この新しいメカニズムは、かさばらず、部品点数も少ないため、大規模なシリコン量子コンピュータを実現するために不可欠なものとなる可能性があるという。

「これは今まで見たことのない全く新しい効果で、最初はよく分かりませんでした。しかし、これは量子ドットのスピンを制御する新しい強力な方法であることがすぐに明らかになりました。これは、とてもエキサイティングなことでした。」と、UNSWのスピンオフ企業であるDiraqの量子プロセッサーエンジニアで、筆頭著者のWill Gilbert博士は語る。

論理ゲートは、「ビット」と呼ばれる2進数（0と1）を協調させて情報を処理するもので、現代のコンピュータ計算の基礎をなす要素だ。古典的コンピュータはこの論理ゲートを膨大な数で組み合わせる事で、現代で求められる高度な処理を実行している。しかし、量子コンピュータは異なる。量子コンピュータで用いられる量子ビット（qbit）は、この「0」と「1」という2つの状態を同時にとることができる。これにより、古典的なコンピュータを遙かに凌駕する、指数関数的に高速な計算や、同時に動作する計算など、さまざまな計算方法が可能になると言われている。量子ビットは、「量子ドット」と呼ばれる小さなナノデバイスでできており、1個または数個の電子を閉じ込めることができる。計算を行うには、電子を正確に制御することが必要だ。

2020年、DiraqのエンジニアであるTuomo Tanttu博士は、量子ドットを制御するためのナノサイズのデバイスと、その動作を駆動する小さな磁石やアンテナを、さまざまに組み合わせて実験していた。その時、不思議なことが起こった。

「私は、2量子ビットゲートを本当に正確に動作させようとして、多くの異なるデバイス、わずかに異なる形状、異なる材料スタック、異なる制御技術を繰り返しました。すると、この奇妙なピークが現れたのです。それは、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たのですが、このような実験を4年間行ってきて一度も見たことがありませんでした。」と、Tanttu氏は回想する。

その後、この方法が個々の量子ビットの量子状態を操作する新しい方法であることに気づいた。しかし、このプロセスは磁場ではなく、電場を利用したものである。この発見以来、研究チームは独自の量子プロセスの完成に取り組んでいる。もしこれが成功すれば、Diraq社は何十億もの量子ビットを搭載した単一のコンピューターチップを作ることができるようになるだろう。

「これは、量子ビットを操作するための新しい方法であり、構築するのにそれほどかさばりません。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マイクロ磁石やアンテナを製造する必要はありません。各ゲートの周囲に余分な構造を配置する必要がないのです。つまり、散らかりが少なくなるのです。」と、Tanttu氏は説明する。

研究著者らは、この新しい技術を「固有スピン軌道EDSR」と呼ぶ。現在、シリコン量子コンピュータの実現に必要な、近くにある他の電子を乱すことなく電子を制御する方法は、確立された2つの方法である。

1つは電子スピン共鳴法（ESR）で、オンチップマイクロ波アンテナを使用する。もうひとつは、誘導勾配磁場を利用した電気双極子スピン共鳴（EDSR）である。

「通常、私たちは純粋な磁場を発生させるためにマイクロ波アンテナを設計します。しかし、この特殊なアンテナ設計では、私たちが望んでいたよりも多くの電場が発生しました。しかし、これは幸運なことでした。これがセレンディピティです。」と、Tanttu氏は語る。

UNSWの量子工学のサイエンティア教授で、2015年にシリコンで初の量子論理ゲートを構築したDiraqのCEO兼創業者のAndrew Dzurak教授は、「これは、過去20年間の研究で開発した独自技術の宝庫に加わるだけの、珠玉の新メカニズムです」と述べている。

「これは、エキゾチックな材料に頼るのではなく、既存のコンピュータチップと本質的に同じ半導体部品技術に基づいて、シリコンでの量子コンピューティングを現実のものとするための私たちの研究を基盤としています。今日のコンピュータ産業と同じCMOS技術に基づいているので、我々のアプローチは、商業生産に向けたスケールアップを容易かつ迅速に行い、1チップ上に数十億の量子ビットを作製するという我々の目標を達成することができます。」と、Dzurak教授はシリコン量子コンピュータの利点を説明する。

CMOS(または、complementary metal-oxide-semiconductor、発音は「シーモス」)は、現代のコンピュータの心臓部にあたる製造プロセスだ。マイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、メモリーチップなどのデジタル論理回路や、イメージセンサー、データコンバーターなどのアナログ回路など、あらゆる種類の集積回路部品の製造に使用されている。

科学者やエンジニア達は、機能的な量子コンピュータを成功させることを、「21世紀の宇宙開発競争」と呼んでいる。そうすることで、科学者たちは、不可能な計算を瞬きする間もないほど高速化することができ、通常のコンピューターが何年もかけて到達する新しい解決策につながる可能性があるのだ。

「私たちはしばしば、人類最大の技術的驚異として月着陸を思い浮かべます。しかし、実際には、今日のCMOSチップは、何十億もの動作デバイスが統合されてシンフォニーのように動作し、ポケットに入れて持ち歩くことができます。量子コンピュータも同様に驚異的なものになるでしょう。」と、Dzurak教授は今後の展望を語った。

論文

• Naure Nanotechnology: On-demand electrical control of spin qubits

参考文献

• UNSW Sydney: New spin control method brings billion-qubit quantum chips closer

研究の要旨

かつてパウリによって「古典的な非記述的2値性」と呼ばれた電子スピンは、電気的変動に強い量子ビットを形成している。しかし、スピンと電場の結合を強化するためにマイクロマグネットを組み込むことが一般的な制御戦略であり、これが逆にノイズ耐性に影響を与え、アーキテクチャを複雑にしている。ここでは、シリコン量子ドットの電子の軌道運動とスピンの相互作用を、マイクロマグネットを用いずにスイッチングできることを利用する。シリコン中の相対論的スピン軌道相互作用の弱い効果を増強し、ナノ構造中の電子のエネルギー量子化を制御することによって、ラビ周波数を最大650倍まで高速化することに成功した。高速な電気的制御を複数のデバイスや電子構成で実証している。電気駆動により、コヒーレンス時間T_2,Hahn ≈ 50 μs、T_π/2 = 3 nsの高速シングルクビットゲートを実現し、ランダムベンチマークによりゲート忠実度を99.93%にプローブした。このように高性能な全電気制御を実現することで、スケーラブルなシリコン量子コンピュータの実現が期待される。