Low-Frequency Charge Noise in Bilayer Graphene Quantum Dots

量子コンピュータの構築を目指す中で、科学者たちは、情報を「量子ビット」として保持しつつ、それが崩壊しないような材料を探索しています。回転する独楽（こま）が針の上でバランスを取ろうとしている場面を想像してみてください。もし空気が流れすぎたり、表面が揺れすぎたりすると、独楽はぐらつき、止まってしまいます。量子物理学の微視的な世界において、この「ぐらつき」は、目に見えない電気的な静電気、すなわち「ノイズ」によって引き起こされ、それが材料のエネルギー準位を揺さぶります。長年、研究者たちは従来のシリコンやガリウム砒素のチップを利用してこれらの量子ビットを作り出してきましたが、彼らは常にこの静電気との戦いを強いられてきました。ここで、新たな有力候補が登場しました。それが「バイレイヤー・グラフェン」です。この材料は、サンドイッチのように積み重なったわずか2層の炭素原子のシートで構成されています。非常に薄く、柔軟であり、電場を用いて電子を「量子ドット」と呼ばれる小さな籠の中に閉じ込めるように調整することができます。非常にクリーンで制御しやすいため、量子情報の優れた「家」となることが期待されていますが、それは、従来の技術を悩ませてきたものと同じ電気的ノイズに対して、情報を安定して保持できる場合に限られます。

チューリッヒ連邦工科大学（ETH Zurich）の研究チームは、バイレイヤー・グラフェンが本当にこの役割を果たす準備ができているのかを検証すべく、調査を開始しました。彼らは、電子がこれらのグラフェンの籠の中に閉じ込められた極小のデバイスを構築し、電気的な環境を注意深く観察してノイズを測定しました。彼らの目的は、この新しい材料におけるノザレベルが、確立されたシリコンチップよりも悪いのか、あるいはグラフェンの独特な製造方法が、実際により静かな環境を生み出しているのかを確認することでした。その結果、バイレイヤー・グラフェンのノイズレベルは、最高の伝統的な半導体プラットフォームで見られる範囲のちょうど中間に位置していることが分かりました。研究者たちは電気的なゆらぎの強さを測定し、バイレイヤー・グラフェンを、将来の量子コンピュータを構築するための競争力のある実行可能な選択肢として位置づける中央値を算出しました。

何を測定していたのかを理解するには、量子ドットを、電子が座っている「小さな島」としてイメージする必要があります。これらの電子のエネルギーは固定されておらず、近くにある不純な電荷が動くたびに、わずかに変化します。これらの不純な電荷はしばしばドットを取り囲む材料の中に閉じ込められ、2つの状態の間を行ったり来たりしています。この切り替えが、低周波の「ハム音」のような現象を引き起こし、繊細な量子状態を乱します。研究者たちは「輸送分光法」と呼ばれる手法を用いました。これは、デバイスに電流を流し、電圧を微調整しながら電流の流れがどのように変化するかを観察するというものです。この電流のゆらぎを聴き取ることで、ノイズの分布をマッピングすることができました。彼らは、ノイズが予測可能なパターンに従っており、周波数が高くなるにつれて減少していくことを見出しました。これは、この種の干渉においては典型的な挙動です。1ヘルツにおけるこのノイズの強さは、1.16マイクロ電子ボルト毎平方根ヘルツと測定されました。この数値は、これまでに記録された中で最低の値ではありませんが、高性能な量子デバイスとして許容される範囲内に十分収まっており、グラフェンのプラットフォームが本質的に欠陥を持っているわけではないことを証明しています。

次にチームは、より深い問いを投げかけました。「デバイスの設定を変更すると、ノイズは変化するのか？」という問いです。多くのシステムでは、ドットに電子を追加することで外部ノイズから遮蔽したり、トラップの形状を変えることでノイズ源から遠ざけたりできる場合があります。研究者たちは、電子の数、トラップの強固さ、電子を押し出す電圧、さらにはドットを測定するセンサーの出力など、変数を系統的に変化させました。驚くべきことに、これらの変更によって再現性のある違いが生じることはありませんでした。電子が多くても少なくても、あるいは電流を強く押し出しても、ノイズレベルは頑固に一定のままでした。このことは、ノイズの源が、研究者が容易に調整したり遮蔽したりできるものではないことを示唆しています。それは、グラフェン自体からではなく、デバイスを保護し制御するために使用されている周囲の層から来ている、グラフェンの環境における根本的な特性であると考えられます。

自分たちの結果が特定の測定手法による偶然の産物ではないことを確実にするため、科学者たちは2つの異なる方法で実験を繰り返しました。第一に、彼らは単一のドットではなく、2つの量子ドットを持つデバイス、つまり「ダブルドット・システム」を構築しました。これら2つのドット間のノザを測定したところ、そのレベルは単一ドットの測定結果と一致していました。第二に、彼らは全く異なる手法を用いました。それは、特定の周波数で振動する電気回路である「超伝導共振器」を使用して、電流を流すことなくノイズを感知する方法です。この独立したチェックにより、同様のノイズレベルが確認されました。また、量子コンピューティングに有用な特定の相互作用を導入するために、別の材料である遷移金属ジカルコゲナイドの層を追加したバージョンのデバイスでもテストを行いました。この追加層は、新たな欠陥やノイズを導入する可能性がありましたが、電荷ノイズが増加することはありませんでした。これは、グラフェン層が、より複雑なタスクのために修正された状態であっても、電気的に静かな状態を維持していることを示しています。

これらの知見が持つ意味は、実用的かつ直接的です。ノイズが安定しており、既存の最高の材料と同等であるため、エンジニアはバイレイヤー・グラフェンの選択が自動的に量子コンピュータの性能を損なう心配をする必要はありません。研究者たちは、これらのノイズ測定値を用いて、電荷ベースの量子ビットが、ノイズによってコヒーレンス（量子的な一貫性）を失う前に、どれだけの時間状態を保持できるかを推定しました。彼らの計算によれば、電荷ベースの量子ビットの場合、情報は数百ピコ秒間持続します。これは人間から見れば極めて短い時間ですが、量子論理に必要な高速動作を行うには十分な時間です。より重要なことに、この研究は、この種のノイズに対してより鈍感な「スピン」や「バレー」を用いた量子ビットについては、コヒーレンス時間が大幅に長くなる可能性があることを示唆しています。この研究は、バイレイヤー・グラフェンが、デバイスの構造や調整の詳細が量子情報の保持能力を決定的に損なうことのない、堅牢なプラットフォームであることを裏付けており、研究者が動作する量子マシンの構築における他の側面に集中できる道を開いたのです。