Coherent oscillations in weakly anharmonic NbSe2 qubit

今日のコンピュータには不可能な方法で思考し計算する機械を構築しようとする探求は、「量子ビット」と呼ばれる、極めて小さく壊れやすい情報の単位に依存しています。標準的なコンピュータのビットが0か1のいずれかであるのに対し、量子ビットは両方の状態に同時に存在するという繊細な状態を持つことができます。ただし、それは周囲のノイズが多く混沌とした世界から完全に隔離されている場合に限られます。これを実現するため、科学者たちはしば Gr 多くの場合、超伝導回路を使用します。これは、絶対零度に近い温度まで冷却されたときにのみ、抵抗なしに電流を流す電気的なループです。これらの回路の核心は、量子ビットを量子振動子のように振る舞わせるゲートキーパーとして機能する特別な接合部です。長年、研究者たちは、製造プロセスが確立されているアルミニウムを用いてこれらの接合部を作ってきました。しかし、アルミニウムには限界があります。微細な欠陥が生じやすく、強い磁場の中で機能するのが困難であるため、科学者がダークマター（構成要素である可能性のある目に見えない粒子）の探索といった、特定の種類の宇宙の探偵業務にこの強力な量子ツールを使用することを妨げています。

これらの障壁を克服するために、研究チームは「ファンデルワールス固体」として知られる異なるクラスの材料に目を向けました。これらは、トランプの束のように超薄型のシートが積み重なったものと想像してください。そこでは、層を原子レベルの精度で剥がしたり、新しい方法で積み重ねたりすることができます。これらの材料は、アルミニウムよりもクリーンで完璧な内部構造を備えており、量子ビットが量子状態を失う原因となる欠陥から保護できる可能性があります。科学者たちはすでに、炭素の単層であるグラフェンを用いて量子ビットを作ることに成功していますが、このファミリーにおける他の有望な候補から動作する量子ビットを作ることはまだできていません。新しい研究において、研究者たちは二セレン化ニオブを用いた量子ビットの構築とテストに成功しました。この材料は超伝導体であるだけでなく、磁場に対して著しく強い耐性を持っています。この成果は、この特定の材料から量子ビットが作られた初めての事例であり、アルミニウムが機能しなくなる環境でも動作可能な、より堅牢な量子デバイスへの扉を開くものです。

研究者たちは、二セレン化ニオブの非常に小さなフレークを2つ用意し、それぞれ厚さわずか10〜15ナノメートルで、それらを注意深く重ね合わせることで、2つの層が出会う接合部を作成しました。彼らはこの繊細な接合部を、量子ビットの状態を制御し読み取るためのレゾネーター（共振器）として機能する中空のアルミニウム製の箱の中に配置しました。接合部が正しく機能することを確認するため、彼らはそれを大きなアルミニウムのパッドに接続し、装置全体を余分な熱や放射線を遮断するためのフィルターで囲みました。実験は、材料が超伝導状態を維持できるように、絶対零度からわずか20ミリケルビン（約0.02度）という温度まで冷却された特殊な研究所で行われました。マイクロ波パルスを箱の中に送り込むことで、チームは接合部の挙動を調べ、それが量子振動子として機能するかどうかを確認することができました。

彼らが発見したのは、弱非線形振動子としてまさに振る舞うべきデバイスでした。つまり、通常は量子情報を破壊してしまうノイズに抵抗しながら、量子情報を保持できるということです。研究者がデバイスに送る信号の強度を上げると、キャビティの共鳴が「軟化（softening）」振動器、すなわち特定の種類の非線形挙動を示すようにシフトしました。驚くべきことに、デバイスは研究者がキャビティ内に5〜10個の追加の光子に相当する熱エネルギーを導入したとしても、安定した状態を維持しました。この堅牢性は、同様の層状材料から作られた他の量子ビットと比較して、はるかに優れています。さらに、チームは入力信号のパワーを調整することで、振動器の挙動を「軟化」から「硬化（hardening）」へと切り替え、非線形性の符号を実質的に変えられることを実証しました。デバイスの根本的な特性を調整できるこの能力は、量子システムに対する高度な制御が可能であることを示唆しています。

あらゆる量子ビットにとって最も重要なテストは、コヒーレンス（干渉性）を失う前に、どれくらいの期間量子状態を保持できるかであり、これは「緩和時間」と呼ばれる値によって測定されます。この実験では、二セレン化ニオブの量子ビットは6.5マイクロ秒間、その状態を維持しました。この時間は、グラフェンベースの量子ビットでこれまで達成された最高の結果よりも約100倍長いものです。この寿命の延長は、おそらく、量子状態を乱す内部欠陥を最小限に抑える二セレン化ニオブの高い結晶品質と、高い電流に耐えることができる材料の能力によるものです。チームはまた、量子ビットの状態における明確でリズムのある振動、すなわちラビ振動を観察し、デバイスが精密に操作可能であることを確認しました。制御パルスの長さの関係で完全なデコヒーレンス時間を測定することはできませんでしたが、緩和時間だけでも、この種の材料における大きな飛躍を意味しています。

この研究は、ファンデルワールス材料が量子技術に正常に統合できることを強力に示すものであり、現在のアルミニウムベースのシステムよりも耐久性と汎用性の高いデバイスへの道筋を示すものです。二セレン化ニオブが強い磁場の中でも機能できる能力は特に重要であり、これは、従来のアルミニウム製量子ビットが機能しなくなるような強力な磁石の中に量子センサーを直接配置する必要があるダークマター検出実験に、これらの量子ビットが将来的に使用できる可能性を示唆しています。現在のデバイスは、特定の計算を容易にする上で制限となる程度の小さな非線形性を持っていますが、研究者たちは、接合部のサイズを調整したり、より精密な製造技術を用いたりすることで、将来のデザインにおいてこのパラメータを微調整できると指摘しています。量子ビットがこの材料から構築可能であり、かつ高いコヒーレンスで動作できることを証明した本研究は、エキゾチックな材料と実用的な量子アプリケーションとの間の架け橋となり、次世代の量子センサーおよびコンピュータのための強固な基礎を提供しています。