Higher Josephson harmonics in a tunable double-junction transmon qubit
本論文は、磁束制御された高次項を持つジョセフソン・ポテンシャルを特徴とする、調整可能なダブルジャンクション・トランスモン量子ビットを実証しており、分光測定によって最大〜10%の第2高次項振幅が明らかになるとともに、内部モードと量子ビットモードへの結合を均衡させることで分散シフトを排除するフラックス・スイートスポットを特定している。
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量子コンピューティングの世界を、椅子取りゲームのようなハイステークスなゲームとして想像してみてください。ただし、椅子ではなく、プレイヤーは「量子ビット」と呼ばれる微小なエネルギーのパケットです。これらの量子ビットを機能させるために、科学者たちは超伝導回路、つまり絶対零度近くまで冷却されると電気抵抗がゼロになるワイヤーのループを用いてこれらを構築します。これらの回路を単なる普通のワイヤーではなく、量子ビットとして振る舞わせるための「秘伝のソース」は、ジョセフソン接合と呼ばれる特別なコンポーネントです。ジョセフソン接合を、2つの超伝導された部屋の間にある魔法の、極めて薄いドアだと考えてください。これは、電子のペア（クーパー対と呼ばれます）が通り抜けることを許しますが、それは非常に特定の、リズムに乗った方法で行われる場合に限られます。このリズムが「ポテンシャルエネルギーの景観」を生み出します。これは、電子が好んで留まる場所である、波打つ丘や谷のようなものとしてイメージできます。
何十年もの間、科学者たちはこれらの丘を、基本的な物理学の教科書で見られるような完璧な正弦波のような、単純で滑らかな波として扱ってきました。この単純な形状こそが、量子ビットに特殊な「非調和性」を与えています。「非調和性」とは、エネルギーレベル間のステップが不均一であることを意味する専門用語であり、これはコンピュータの「0」と「1」の状態を区別するために極めて重要です。しかし、最近の実験では、これらの丘が考えられていたよりも複雑である可能性が示唆されています。音楽の音符が高次倍音（高次高調波）を持つことでその音色や音質が変わるように、これらの量子接合も、エネルギー波の中に隠れた「高次高調波」を持っている可能性があるのです。もし私たちがこれらの隠れた高調波を制御できるようになれば、ノイズやエラーに対してはるかに強い量子ビットを構築でき、今日私たちが想像もできないような問題を解決できるほど安定した量子コンピュータの未来へとつながる可能性があります。
今回の新しい研究において、コペンハーゲン大学の研究チームとその共同研究者たちは、このアイデアをテストするための巧妙な新しい装置を作り上げました。彼らは「チューナブル・ダブル・ジャンクション・トランスモン」を作成しました。これは、本質的には2つのジョセフソン接合が直列に連結された回路です。一つは単一の接合であり、もう一つは内部に2つの接合を持つループ（SQUIDと呼ばれます）です。これを、弦を締めたり緩めたりすることで音の形を変えられる楽器だと想像してみてください（磁場をかけることによって）。SQUIDループに磁束を通すことで、チームは量子ビットのエネルギー景観をダイナミックに再形成し、回路の「音符」をチューニングすることができました。
彼らが発見したことは、非常にエキサイティングなものでした。量子ビットのエネルギー遷移を測定することで、彼らは「第2高調波」――エネルギー波におけるより高周波のさざ波――が驚くほど強く現れることを発見しました。最も対称的なセットアップにおいて、この第2高調波はメインの波の強さの約10%に達しました。これを比較すると、単一の接合を用いたこれまでの実験では、ごくわずかな、ほとんど目に見えないほどのさざ波しか観察されていませんでした。これは、第2の音の微かなささやきを聞くことから、明確ではっきりとしたハーモニーを聞くようになったようなものです。研究者たちは、「内部モード」――2つの接合の間に位置する小さな超伝導材料の島（アイランド）の隠れた振動――を含む詳細なコンピュータモデルを構築することで、これを裏付けました。この内部モードは、機械の中の隠れたギア（歯車）のように機能して、主たる動きをわずかに変形させ、彼らが観察した余分な高調波がこの隠れたギアによるものであることをモデルは示しました。
チームはまた、実験の中で非常に特別な「スイートスポット」にも遭遇しました。磁束を調整していく中で、量子ビットと彼らの読み出しデバイス（レゾネーター）との間の通常の相互作用が完全に打ち消し合う特定の点を見つけました。通常、量子ビットはレゾネーターの周波数を押し上げたり下げたりしますが、この魔法のような点では、メインの量子ビットモードによる押しと、内部モードによる引きが完全にバランスを取り、正味のシフトがゼロになります。これは、2人の人がブランコを反対方向に同じ力で押しているとき、ブランコが静止している状態に似ています。この発見は、量子ビットを特定の種類のノイズに対して鈍感にする方法を示唆しており、より堅牢な量子コンピュータにつながる可能性があります。
この論文は、量子コンピューティングのすべての問題を解決したと主張しているわけでも、これらの新しい量子ビットがあなたのリビングルームに置かれる準備ができていると言っているわけでもありません。代わりに、私たちはこれらの複雑なエネルギー景観を、完全に超伝導システムの中で設計できるという、確実で測定された実証を提供しています。研究者たちは、2つの接合の間の非対称性を操作することで、以前は到達困難であった豊かな多様な量子挙動にアクセスできることを示しました。彼らは、これらの効果が単なるランダムなノイズや単純なアーティファクト（偽像）ではなく、回路の設計と、メインの量子ビットとその内部の「双子」との相互作用による直接的な結果であることを証明しました。この研究は、「保護された量子ビット」――エラーから自然に守られた量子ビット――を設計するための新しい扉を開き、量子ハードウェアの未来には、これらの隠れた高調波をチューニングしてカスタムメイドの量子デバイスを作り出すことが含まれる可能性を示唆しています。
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