All-mechanical coherence protection and fast control of a spin qubit

量子インターネットの構築という探求において、科学者たちは、繊細な情報を失うことなく、微小で静止したコンピュータ間で移動させる方法を模索しています。これらのコンピュータは「量子ビット」として知られ、多くの場合、電子のスピン（情報の保存に利用される、小さな内部コンパスの針のような性質）に依存しています。課題は、これらの針が非常に敏感であることです。周囲からのわずかな振動や磁気のささやきによって情報が乱され、コンピュータが実行していた内容を忘れてしまうことがあります。これを解決するために、研究者たちは長い間、メッセージをノード間で運ぶために光（フォトロン）に着目してきました。しかし、光は多くのスペースを占有し、自身と干 easily 干渉してしまうことがあります。よりコンパクトな代替案は、フォノン（音子）です。これは、固体材料の中を伝わる音や振動の粒子です。音波は光波よりもはるかに小さく、伝わる材料と強く相互作用するため、単一のチップ上に高密度で効率的なネットワークを構築するための有望な道を示しています。しかし、音をメッセンジャーとして使用するには、まず、ノイズから静止量子ビットを保護しながら、同時に音を用いてそれを制御できることを証明しなければなりませんでした。これは、量子ビットを保護するために用いられる手法が、それに働きかけるための手法としばしば衝突してしまうため、ほぼ不可能に思える作業でした。

ハーバード大学とシカゴ大学の研究チームは、ダイヤモンド結晶内の「シリコン空孔」と呼ばれる特定の種類の欠陥を用いることで、この繊細なバランスを実現する方法を実証しました。実験では、ランダムな熱振動を抑え込むために、単一のダイヤモンドチップを超低温冷蔵庫の中に設置しました。そのダイヤモンドの上に、「インターディジタル・トランスデューサ」と呼ばれる、電気信号を機械的な波に変換する小さな金属製の指（スピーカーのようなもの）を構築しました。これらのスピーカーに特定のマイクロ波信号を送ると、ダイヤモンドの表面を伝わる連続的な音波の流れが生成されました。これらの波は、単にシリコン空孔のそばを通り過ぎるだけでなく、電子のスピンの自然周波数に一致する精密なリズムで結晶格子を揺らしました。この絶え間ない揺れが、電子にとっての新しい安定した状態を作り出し、周囲の混沌とした磁気ノイズから効果的に保護することに成功しました。

研究者たちは、この機械的な場をアクティブな状態に保つことで、電子が情報を保持できる時間を、フィールドがオフの状態と比較して3倍以上に延ばせることを発見しました。保護のない静かな状態では、電子のメモリは約680ナノ秒で消失してしまいます。しかし、連続的な機械的保護があることで、その時間は2マイクロ秒以上にまで伸びました。この保護が機能したのは、絶え間ない揺れによって、通常エラーを引き起こす原因となるゆっくりとしたドリフト的な磁気変動に対して、電子の感受性を低下させたためです。決定的なことに、チームはこの保護された電子に対して、同じ機械的な波を用いて情報の読み書きができることを示しました。彼らは、電子の状態を反転させるために2番目のより弱い音のパルスを使用し、レーザーを用いてその結果を観察しました。これにより、電子がノイズから保護されると同時に、音によって制御されることも可能であることが証明されました。この組み合わせは、フォノンベースのネットワークを構築する上での大きな障壁となっていました。

メモリを保護するだけでなく、チームはこの手法によって、極めて高速な制御が可能であることを発見しました。彼らは、電子のスピンを毎秒8億回という速度で往復させることができました。この速度は、この種のシステムにおける新記録です。この急速な切り替えは、情報が劣化してしまう前に複雑な計算を迅速に実行するために不可同です。研究者たちは、電気信号を機械的な歪みに高い効率で変換することで、磁場に頼る従来の方法よりもはるかに強く電子を駆動することができたため、この速度を実現しました。また、これほど極端な速度においては、電子の挙動がより複雑になり、複数の周波数が同時に現れることも観察されました。これは、システムが標準的な単純なモデルが適用できなくなる新しい物理学の領域に入っていることを示唆しています。

この研究の意義は、ノイズから量子ビットを隔離する必要性と、量子ビットと強く相互作用する必要性という、以前は相反していた2つのニーズを統合できる点にあります。音波を用いて、制御のための道具でもある保護シールドを作り出すことで、研究者たちは高フィデリティな量子ゲート（量子コンピュータが機能するために必要な基本操作）への道を切り開きました。彼らは、情報の初期化と読み出しを直接光を用いて行えることを実証しており、状態を転送するための複雑な追加ステップを必要としません。この簡便さと、速度および拡張されたメモリ保持時間の組み合わせは、シリコン空孔が、音によって情報をルーティングされる未来の量子ネットワークにおける静止ノードとして機能できる可能性を示唆しています。研究者たちは、音波による加熱を慎重に管理してダイヤモンドを十分に冷たく保つ必要があると指摘していますが、彼らの結果は、そのトレードオフは管理可能であり、この全機械的なアプローチの利点は多大であることを示しています。この成果は、堅牢なオンチップ量子ネットワークに向けた重要な一歩であり、いつの日か、固体の世界の振動を用いて量子コンピュータ同士を連結することを可能にするものです。