January, 31, 2025, Espoo--アールト大学(Aalto University)の研究者は、超高感度の温度検出器で量子ビットを世界で初めて測定し、ハイゼンベルグの不確定性原理を回避した。
近い将来の量子コンピュータで、これまで以上に高い量子ビット数を追求するには、常に新しいエンジニアリングの偉業が必要である。
このスケールアップ競争の厄介なハードルの中には、量子ビットの測定方法の改良がある。パラメトリックアンプと呼ばれるデバイスは、従来、これらの測定に使用されてきた。しかし、その名前が示すように、このデバイスは量子ビットから拾った弱い信号を増幅して読み出しを行うため、不要なノイズが発生し、追加の大きなコンポーネントで保護されていないと量子ビットのデコヒーレンスにつながる可能性がある。さらに重要なことは、サイズ制限のある冷凍装置で量子ビット数が増えると、増幅チェーンのかさばるサイズを回避するのが技術的に困難になることである。
アールト大学の研究グループに、量子コンピューティングとデバイス(QCD)を情報を与えることである。グループは、サーマルボロメータを超高感度検出器としてどのように使用できるかを示してきた多くの実績があり、4月10日のNature Electronicsの論文で、ボロメーターの測定がシングルショット量子ビットの読み出しに十分な精度であることを実証したばかりである。
新しい測定方法
残念なことに、多くの物理学者が、ハイゼンベルグの不確定性原理は、信号の位置と運動量、または電圧と電流を同時に正確に知ることはできないと決定している。これは、パラメトリック電圧-電流増幅器を使用して行われる量子ビット測定にも当てはまる。しかし、ボロメトリックエネルギーセンシングは根本的に異なる種類の測定であり、ハイゼンベルクの悪名高い法則を回避する手段として機能する。ボロメータはパワー(光子数)を測定するため、パラメトリック増幅器のようにハイゼンベルグの不確定性原理に起因する量子ノイズを追加する必要はない。
増幅器とは異なり、ボロメータは、低侵襲検出インタフェースを介して量子ビットから放出されたマイクロ波光子を非常に微妙に感知する。このフォームファクタは、アンプの約100分の1と小さいため、測定デバイスとして非常に魅力的である。
「量子至高の未来を考えるとき、数千、あるいは数百万という高い量子ビット数が当たり前になることは容易に想像できる。この大規模なスケールアップには、各コンポーネントのフットプリントを慎重に評価することが絶対に必要である。Nature Electronicsの論文で、われわれのナノボロメータが従来のアンプの代替品として真剣に検討できることを示した。最初の実験では、これらのボロメータは、量子ノイズが加わらず、1回のショット読み出しに十分な精度があり、一般的な増幅器と比べて消費電力が10,000倍少ないことがわかった。これらはすべて、温度に敏感な部分が単一の細菌の内部に収まる小さなボロメータである」と、QCD研究グループを率いるアールト大学のMikko Möttönen教授は説明している。
シングルショットの忠実度は、物理学者が、デバイスが複数の測定の平均ではなく、1回の測定で量子ビットの状態をどれだけ正確に検出できるかを判断するために使用する重要な指標である。QCDグループの実験では、61.8%のシングルショット忠実度、約14µsの読み出し時間を得ることができた。量子ビットのエネルギー緩和時間を補正すると、忠実度は 92.7% に跳ね上がる。
「わずかな変更を加えれば、ボロメータは200nsで望ましい99.9%のシングルショット忠実度に近づくことが期待できる。たとえば、ボロメータの材料を金属からグラフェンに交換すると、熱容量が小さく、エネルギーの非常に小さな変化をすばやく検出できる。また、ボロメータとチップ自体の間にある他の不要な部品を取り除くことで、読出し忠実度をさらに向上させるとともに、より小さく、よりシンプルな測定デバイスを実現できるだけでなく、より高い量子ビット数へのスケールアップをより実現可能にすることができる」と、論文の筆頭著者、QCDグループの博士研究員András Gunyhóは説明している。
QCD研究グループは、最新の論文でボロメータの高いシングルショット読み出し忠実度を実証する前に、2019年にボロメータが超高感度のリアルタイムマイクロ波測定に使用できることを初めて示した。その後、2020年にNature誌に論文を発表し、グラフェン製のボロメータが読み取り時間をマイクロ秒(µs)未満に短縮する方法を示した。