イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のイリノイ・グレンジャー・エンジニアリング内の学際的共同研究チームが、空軍科学研究局と陸軍研究局物理科学研究所から4年間で480万ドルの助成金を獲得した。この取り組みは、二準位系欠陥の起源を研究することにより、超伝導量子ハードウェアにおける重要な知識のギャップに対処することを目的としている。
二準位系欠陥は、所望の量子ビットと同じエネルギースケールを持つ制御不能な二状態量子システムであり、量子情報の散逸を引き起こし、超伝導ハードウェアの品質を制限する主要な要因となっている。物理学教授アンジェラ・コウが率いるこの研究は、複数の部門(物理学、材料科学工学、電気・コンピュータ工学)を巻き込んだ体系的なプロセスを採用している。
方法論は、成長、特性評価、理論のループに従う。研究者は分子線エピタキシーを使用して超伝導量子ビットデバイスを原子単位で成長させる。次に、透過型電子顕微鏡を適用して個々の原子の挙動を捉え、マイクロ波特性評価により情報損失を測定する。最後に、理論家が原子スケールのシミュレーションを使用して、観測データとの比較のために異なる欠陥の特性を計算する。
この研究の成果は、超伝導量子プロセッサ(Google、IBM、Rigettiなどの企業が使用)の性能を向上させるための「二準位系欠陥の発生を減らすためのレシピ」を提供することを目的としている。空軍科学研究局と陸軍研究局物理科学研究所による助成金の共同管理は、この重要なハードウェア問題を解決することの国家安全保障上の関連性を強調している。
背景
超伝導量子ビットは、超伝導体を用いて作られる人工的な原子のような量子系です。記事で問題となっている「二準位系欠陥」とは、量子ビットの設計とは関係なく存在してしまう不要な量子状態のことであり、これらが意図しない相互作用を起こすことで、量子情報が失われる原因となります。
この研究で用いられる「分子線エピタキシー」は、超高真空の中で原子や分子を基板の上に一層ずつ堆積させ、原子レベルの精度で薄膜を成長させる技術です。これにより、欠陥の発生を抑えた高品質な超伝導量子ビットデバイスを製造することが可能になります。
また、その構造を確認するために「透過型電子顕微鏡」が使用されます。これは電子線を用いて試料の内部を透過させ、個々の原子の配置や挙動を直接観察できる顕微鏡です。これにより、理論的なシミュレーションと実際の原子スケールの構造を比較検証し、欠陥の正体を特定する手がかりを得ます。
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2025年11月14日
