カリフォルニア州ロサンゼルス— 現時点では、マイクロ波光子が多くの量子コンピューターの鍵となっています。物理学者はマイクロ波光子を使用して、マシンの量子ビットをプログラム、読み取り、その他の方法で操作しています。しかし、マイクロ波技術はかさばり、その量子状態はあまり長く続かない。現在、いくつかのグループが量子コンピューターと対話する新しい方法を模索しています。通常は厄介な熱とノイズのキャリアである小さな振動を使用します。
量子音響学の新分野は、技術を小型化し、より長持ちする量子メモリを生成することにより、初期の量子コンピューターを揺るがす可能性があります。イリノイ州シカゴ大学の物理学者であるアンドリュー・クレランドは、量子振動を制御する「まさにその先端にいる」と述べており、そのグループは先週、米国物理学会の 3 月の年次総会で最新の研究を発表しました。
通常のコンピューターは、0 または 1 に設定できるビットを反転させますが、量子コンピューターは、0、1、または奇妙なことに、同時に 0 と 1 に設定できる量子ビットを使用します。これにより、速度が大幅に向上する可能性があります。 Google や IBM などの企業は、特定のタスクに対する量子コンピューターの優位性を実証するために競い合っており、その多くはチップ上の超伝導金属回路で作られた量子ビットに賭けています。
超伝導量子ビットを制御または読み取るために、研究者は超伝導量子ビットをマイクロ波共振器 (通常は量子ビット チップ上の金属ストリップまたはそれを取り囲む指サイズの空洞) と相互作用させます。これは、オルガンのパイプが音を鳴らすように、マイクロ波光子で鳴ります。キュービットのエネルギーを調整することで、研究者はその量子状態を共振器に移動させることができるため、キュービットの 0 と 1 の状態を、光子が存在する場合と存在しない場合の共振器の状態として保存できます。しかし、一部の物理学者は、マイクロ波共振器を、量子化された振動またはフォノンで鳴る機械的な共振器に置き換えることに利点があると考えています。
このような振動は熱を構成し、繊細な量子状態を消滅させるため、その努力はばかげているように見えるかもしれません。しかし、絶対零度に近い温度で動作する場合、適切に設計された音響共振器は、マイクロ波の共振器よりも長く鳴り、一種の量子メモリとして機能する可能性があると、イェール大学の物理学者 Robert Schoelkopf は述べています。また、振動の波長は同じ周波数のマイクロ波の 1000 分の 1 未満であるため、共振器をはるかにコンパクトにすることができると彼は言います。
まず、物理学者は量子振動を制御する方法を学ばなければなりません。彼らは 2010 年に最初の一歩を踏み出しました。当時カリフォルニア大学サンタバーバラ校 (UCSB) にいた Cleland は、窒化アルミニウムからエッチングされた振動カンチレバーからすべてのフォノンを吸い上げ、最もエネルギーの少ない量子基底状態のままにしました。しかし、その単純な量子状態はわずか 5 ナノ秒しか持続せず、デバイスをより複雑な量子状態の動作にするには時間が短すぎました。
さらに推し進めるために、いくつかのグループは、材料の表面に沿って伝わる弾性表面波 (SAW) と呼ばれる波紋を操作しています。マイクロチップの上に、研究者はわずかマイクロメートル間隔で金属ストライプの 2 つの格子をエッチングします。グレーティング間のギャップで、研究者はトランスデューサーと呼ばれる櫛形のデバイスに電圧を印加することによって波をトリガーし、材料を収縮させます。グレーティングはミラーとして機能し、特定の波長の SAW を前後に反射してギャップ内で共振させます。そして、変換器を超伝導キュービットに接続することで、研究者はその量子状態を SAW に関連付けます。
そのアプローチを使用して、Cleland と UCSB の大学院生である Kevin Satzinger は、最大 150 ナノ秒鳴るニオブ酸リチウム チップ上に共振器を作成しました。彼らは、共振器内でゼロと 1 つのフォノンの任意の組み合わせを作成できることを示した、と Satzinger は会議で語った。 「量子ビットと空洞の間を行き来するエネルギーを見ることができます」と彼は言います。
Schoelkopf のグループの研究者は、チップの表面に閉じ込められた波ではなく、チップのバルク材料を伝わる振動に注目しています。それらは、量子ビットの下にある 0.5 mm 厚のチップの上面と下面の間で跳ね返ることができる振動を利用します。
イェール大学のYiwen Chu氏は会議で、その形状を使用して、研究者はサファイアチップの振動を最大60マイクロ秒鳴らし続けたと語った。さらに、研究者は最大7量子の振動を共振器に1つずつ供給することができたと彼女は報告しました。より複雑な量子状態を作ることは、「本当に次のステップです」と Chu は言います。たとえば、共振器をシュレディンガーの猫の状態にしようとする可能性があります。この状態では、多くの振動量子を含む巨視的な音波が含まれ、同時に振動がなくなります。
音響共振器は、量子回路設計の柔軟性を高める可能性があります。一部の回路では、複数の量子ビットが同じマイクロ波共振器にリンクされており、量子ビット相互作用の導管として機能します。しかし、ほとんどのマイクロ波空洞は、単一周波数の光子しかホストできません。その場合、すべての量子ビットは相互に絡み合って相互に作用しなければならないと、ボルダーのコロラド大学と国立標準技術研究所が共同で運営する研究所である JILA の物理学者である Konrad Lehnert は言います。
対照的に、音響共振器は、キュービットがいくつかの異なる近接した周波数の振動と相互作用することを可能にします。これにより、量子ビット間の相互作用を調整できるようになるはずです。たとえば、最も近い隣人だけが相互作用するようになります。これは、特定の抽象的な量子システムのモデル化に適していると Lehnert 氏は言います。 JILA の Bradley Moores 氏は、彼と彼の同僚が、単一の量子ビットを複数の周波数の SAW に同時に結合できることを示すことによって、そのような制御に向けて一歩踏み出したと会議で語った.
量子音響は、新しい量子技術の主要な問題の解決にも役立つ可能性があります。マイクロ波ケーブルは、量子コンピューター内で情報をやり取りできます。しかし、それを他の実験や離れた場所に移動するには、これらの信号をマイクロ波から光ファイバーで長距離を移動できる光子に変換する必要があります。マイクロ波周波数で波打つ音響波は、光子の波長に似た波長を持っています。そのため、原理的には、これらは 2 つの間の翻訳の架け橋として機能する可能性があると研究者は述べていますが、正確な方法はまだわかっていません。
音響共振器は、量子領域の限界を試すことさえあるかもしれません。量子論では、原子や光子などの小さなものが同時に 2 つの場所に存在することができますが、巨視的な物質オブジェクトでそのような動作を見たことはありません。一部の理論家は、おそらく重力が関与する未知の原理が、大きな物体の場合の発生を妨げていると主張しています。しかし、Chu は、彼女のグループのサファイア チップを同時に反対方向に振動させることが可能かもしれないと言います。これにより、数十マイクログラムの物質がわずかに異なる 2 つの場所に同時に配置され、量子の奇妙さがほぼ人間のスケールにまで及ぶかどうかがテストされます。 「やってみるまでわからない」
