未来の量子技術により小さく、スマートなビルディングブロック

April, 28, 2025, Lausanne--EPFLの科学者たちは、量子技術を支える基本コンポーネントである共振器のアレイの設計において画期的な進歩を遂げた。このイノベーションにより、より小さく、より正確な量子デバイスを作成できる可能性がある。

量子ビット(qubits)は、主に量子コンピューティングでの役割で知られているが、適切に制御された1つの量子システムを使用して別のより複雑な量子システムをシミュレートするアナログ量子シミュレーションでも使用される。アナログ量子シミュレータは、多くの複雑な方程式を解いて気流を予測する代わりに、風洞を使用して空気力学の法則をシミュレートする方が簡単であるのと同様に、デジタルコンピュータシミュレーションよりも効率的である。

デジタル量子コンピューティングとアナログ量子シミュレーションの両方の鍵となるのは、qubitsが相互作用する環境を形作る能力である。これを効果的に行うための1つのツールが、結合キャビティアレイ(CCA)であり、これは、各キャビティが隣接するキャビティと相互作用できる繰り返しパタンで配置された複数のマイクロ波キャビティで構成された小さな構造である。これらのシステムは、科学者にとっては量子システムを設計および制御する新しい方法となる。

結晶中の電子が特定の周波数で電気の流れを遮断し、半導体や絶縁体を生じさせるのと同様に、CCAsでは、フォトンの形で光は特定の波長でしか伝搬できない。これらの共振器の形状を慎重に調整することで、科学者はフォトンが通過できる波長と通過できない波長を正確に選択できる。

ハイブリッド量子回路研究室(Hybrid Quantum Circuits Laboratory)の責任者、Pasquale Scarlino教授が率いるEPFLチームは、EPFLのフォトニクスおよび量子測定研究所のDr.Marco Scigliuzzo、コンスタンツ大学のOded Zilberberg教授と共同で、高運動インダクタンスと呼ばれる高度な材料特性に依存する超伝導体である窒化ニオブ(NbN)を使用したCCAの革新的な設計を開発した。 Scarlinoの研究室は一流の専門家である。

Scarlinoと同氏のチームは、高い運動インダクタンスを活用して、各空洞を高度に小型化し、すべての共振周波数の不要な乱れを最小限に抑える新しいクラスのCCAを実証した。これらの機能はどちらも、将来の量子コンピューティングと量子シミュレーションに必要な機能を実現するために重要である。

Nature Communicationsに掲載されたこの研究は、最大100個の高品質の空洞をコンパクトに配列する能力を実証した。研究チームは、これらの構造がどのように機能するかを示し、それらを使用して、非常に制御された珍しい方法でそのエッジに沿って光を導くことができるフォトニックトポロジカル絶縁体と呼ばれる材料を模倣した。

「われわれはすでに、このアーキテクチャに結合した人工原子を研究することで、この研究を基にしている」と、論文の筆頭著者Vincent Jouannyはコメントしている。

「われわれのアプローチは、コンパクトさと精度が相反する目標ではなく、量子デバイス技術を進歩させるための補完的なツールであることを示している。この研究は、思慮深い設計がコンパクトさ、高インピーダンス、低無秩序のバランスをとることができることを示している。その結果、結合共振器アレイの汎用性の高いプラットフォームが実現し、高度な量子シミュレーションと量子現象の探求に新たな機会が開かれる」(Scarlino)。

窒化ニオブのユニークな特性を活用することで、EPFLの研究チームは、複雑な量子システムを探求し、将来のイノベーションのためのスケーラブルなプラットフォームを開発するための新たな可能性を切り開いた。結合共振器アレイ設計におけるこのブレークスルーは、よりコンパクトで効率的、かつ信頼性の高い量子デバイスに向けた重要な一歩を表している。

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