Superconducting circuits host two-level systems with lifetimes exceeding one second

今日のコンピュータの及ばない問題を解決できる機械の構築を目指す中で、科学者たちは、超伝導回路という奇妙で繊細な形態の物質に注目しています。これらは金属のループであり、絶対零度に近い温度まで冷却されると、電気抵抗なしに電流を流すことができます。これらの回路の中で、研究者たちは「量子ビット」と呼ばれる人工原子を作り出しており、これが量子コンピュータの情報基本単位として機能します。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が同時に組み合わさった状態で存在することができます。しかし、これらの量子ビットは非常に壊れやすいものです。それらは常に周囲の環境から爆撃を受けており、極めて微細な相互作用であっても、情報の消失（デコヒーレンスとして知られるプロセス）を引き起こす可能性があります。長年、科学界はこれらの量子ビットを周囲から遮蔽し、量子状態を保持できる時間を延ばそうと精力的に取り組んできました。主流であった考えは、量子ビットがより安定するにつれて、その周囲のノイズの多い背景は、最終的には無視できるほど静かになるだろうというものでした。

ドイツのカールスルーエ工科大学の研究チームは、超伝導回路の環境が予想よりもはるかに持続的であることを発見し、この仮定に異を唱えました。タンタル金属で作られ極低温に冷却された、トランスモンとして知られる特殊なタイプの超伝導回路を用い、科学者たちは量子ビットを妨害している可能性のある隠れたノイズ源を探しました。彼らが探していたのは「二準位系」です。これは材料内の微小な欠陥であり、二つの状態間を切り替わることで量子ビットからエネルギーを奪う、ミニチュアのスイッチのような役割を果たします。これらの欠陥は以前から知られていましたが、研究者たちは驚くべき発見をしました。特定のクラスの欠陥が、1秒以上もエネルギーを保持できるということを見出したのです。量子ビットが通常、数ミリ秒の間に状態を失ってしまう量子世界において、これは驚異的な長さです。

これらの捉えどころのない欠陥を見つけるために、研究者たちは量子ジャンプ相関分光法と呼ばれる技術を用いました。静かな部屋で奏でられるバイオリンの単一の音を聴いている場面を想像してください。もしその音が突然止まったら、音はどこへ行ったのかと不思議に思うでしょう。この実験では、量子ビットがバイオリンであり、研究者はそれが振動を止める、つまり低いエネルギー状態へと「ジャンプダウン」する瞬間を観察します。通常、量子ビットがエネルギーを失うとき、そのエネルギーは周囲の環境へと永遠に消えてしまいます。しかし、チームは、量子ビットが光子（エネルギー）を失った後、短時間の遅延を経て、そのエネルギーが量子ビットに戻ってくる現象を観察しました。このエネルギーの回帰は、環境が単にエネルギーを吸収したのではなく、エネルギーを一時的に長い寿命を持つ状態として蓄え、その後で返したことを示しています。これらのイベントを注意深く追跡することで、研究者たちは、数百ミリ秒から1秒以上もの間、エネルギーを保持している3つの特定の欠陥を特定することができました。

次に、研究者たちはこれらの欠陥が正確にどの程度の期間エネルギーを保持できるかを測定するための新しい手法を設計しました。彼らは「ポンプ・プローブ」戦略を用いました。これは、まず欠陥を励起してエネルギーを満たし、その後、そのエネルギーが漏れ出すまでにどれくらいの時間がかかるかを観察するというものです。量子ビットの周波数を欠陥の周波数からわずかにずらすことで、両者の相互作用の強さを制御できました。相互作用が弱いとき、欠ックは驚くほど長い間エネルギーを保持していることが分かりました。実際、研究対象となった2つの欠陥については、エネルギーが1秒以上も蓄えられていました。これは、通常約100マイクロ秒しか持たない量子ビット自体の寿命よりも数桁長いものです。これらの欠陥がこれほど長くエネルギーを蓄えられるということは、それらが世界の他の部分から例外的に孤立していることを示唆しており、標準的な測定ツールでは検出が極めて困難であることを意味しています。

この研究は、これらの欠陥が実際に何であるかについてのヒントも提供しました。研究者たちは、原子や分子が固体内の二つの位置の間をどのように移動するかを記述するために用いられる標準的なモデルと、彼らの測定結果を比較しました。このモデルは、非常にゆっくりと動き、周囲との相互作用が非常に弱い欠陥は、寿命が非常に長いことを示唆しています。実験のデータはこの予測と完璧に一致しており、これらの長寿命の欠陥が、おそらく材料内の二つの位置間を非常にゆっくりとトンネル（移動）する、微小な構造的不完全物であることを示唆しています。研究者たちは、これらの欠陥の正確な化学的または物理的な構造をまだ特定できていませんが、証拠は磁気不純物や捕捉された粒子といった他の可能性を否定しています。それらは異なる挙動を示すはずだからです。量子ビットとこれらの欠陥との間の、数千サイクル毎秒という範囲で測定された弱い相互作用は、彼らが標準モデルによって記述される位置的欠陥であるという考えと一致しています。

この発見は、量子コンピュータの環境に対する科学者の見方を変えるものです。以前は、量子ビットが向上するにつれて、残されたノイズは短命で管理しやすいものになると考えられていました。しかし現在では、最も持続的なノイズは、数秒間エネルギーを保持できるこれらの長寿命の欠陥から来る可能性があることが判明しました。これは、量子計算のミスを修正するために用いられる手法である、量子誤り訂正の未来に対して重要な意味を持ちます。もし環境が量子ビットの状態を長時間記憶し続けるならば、それは予測や修正がより困難な複雑なエラーパターンを生み出す可能性があります。しかし、研究者たちは潜在的なメリットも見ています。これらの欠陥は量子情報を非常に長い間保持できるため、将来的に量子回路内での一種のメモリとして利用できる可能性があるからです。研究者たちは、科学者が量子ビットの品質を向上させ続けるにつれて、より高性能な望遠鏡が夜空のより暗い星を明らかにするように、さらに多くのこれらの長寿命の欠陥に遭遇することになるだろうと示唆しています。

本論文に提示された研究は、超伝導回路内部の微視的世界を理解するための新しい枠組みを確立するものです。これは、これらの回路が、数秒間持続する微視的な自由度を検出するための敏感なプローブとして機能できることを証明しています。これらの欠陥の正確な性質は依然としてさらなる調査の対象ですが、その寿命と結合強度を測定できることは、それらを制御するための決定的な一歩となります。これらの長寿命のシステムが、排除すべき厄介なものと見なされるか、あるいは活用できる資源として見なされるかにかかわらず、その存在は量子技術の展望を根本的に変えるものです。研究者たちは、静かで、持続的であり、そして課題と発見の両方に満ちた、量子環境の隠れた層への扉を開いたのです。