スイス連邦材料科学技術研究所（Empa）は、炭素系材料における量子効果を探求する新しい研究室を開設しました。Werner Siemens財団とスイス国立科学財団（SNSF）の支援を受けるCarboQuantプロジェクトは、量子コンピュータの部品を含む持続可能な量子技術の開発を目指しています。2025年1月30日に開設されたこの研究室は、原子レベルの精度で量子効果を標的操作できるナノグラフェンとグラフェンナノリボンという炭素ナノ構造に焦点を当てています。
研究室の中核となるのは、電子スピンなどの量子状態を制御するための高周波マイクロ波放射を備えた2台の最新型走査型トンネル顕微鏡（STM）です。「アップ」と「ダウン」の重ね合わせ状態をとることができるこれらのスピンは、量子コンピューティングの有望な基盤となっています。新しい量子磁性グループの責任者であるユジョン・ベイが率いる研究室の研究は、ナノグラフェンにおけるスピンのコヒーレント制御の達成を目指しており、これは機能的な量子技術への重要なステップとなります。また研究チームは、より複雑な量子相互作用を可能にするため、ナノグラフェン内のスピンの結合も目指しています。
CarboQuantプロジェクトの長期的な目標は、現在の研究室が依存している超高真空チャンバーと極低温冷却を超えて、室温で動作する炭素ベースの量子デバイスを開発することです。研究者たちは、炭素ベースの量子材料を研究するための材料プラットフォームを構築し、基礎的な理解と実用的な応用の両方を進展させることを目指しています。2032年まで続くこのプロジェクトは、量子材料研究の最前線にEmpaを位置づけています。
背景
量子コンピュータの部品開発を目指す本プロジェクトでは、いくつかの専門的な技術用語が登場します。まず「ナノグラフェン」や「グラフェンナノリボン」とは、炭素原子が蜂の巣状に並んだシート状物質であるグラフェンを、原子レベルの精度で切り出したナノサイズの構造体を指します。これらは量子効果を標的に操作できる特性を持っています。
また、「走査型トンネル顕微鏡（STM）」は、試料表面を極細の探針で走査し、原子レベルの観察や操作を行う装置です。本研究室では、これに高周波マイクロ波放射機能を備えることで、電子の量子状態を制御する研究を行っています。
さらに、「電子スピン」とは電子が持つ固有の角運動量であり、量子情報処理において重要な役割を果たします。スピンには「アップ」と「ダウン」といった状態があり、これらが重ね合わせ状態をとることで、量子コンピューティングの基盤として期待されています。これらの要素を組み合わせることで、室温で動作する量子デバイス実現への道が開かれます。
2025年3月6日
