ニューサウスウェールズ大学の電気工学・電気通信学部は、単一原子に基づく世界初とされる実用的な量子ビットを開発したという。
新しいNature論文「シリコン内の単一原子電子スピン量子ビット」で詳細が説明されているこの量子ビットは、単一のリン原子に結合した電子に「スピン」を与え、そのスピンを読み取る能力に依存しています。
スピンとは電子の磁気的な向きであり、物質を有用な方法で動作させるために利用できるため、非常に有用な特性です。例えばIBMは、より高密度のストレージメディアを構築する方法として、スピンの制御に熱心に取り組んでいます。
UNSWチームは、メルボルン大学およびユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの研究者と協力し、電子に特定のスピンを与え、それを読み取ることに成功しました。スピンの読み取りは、7月にスピンの専門家が私たちに語ったように、決して容易な作業ではありません。
動作する量子ビットは、電子を制御するためにマイクロ波場を使用して構築され、研究チームによれば「特別に設計されたシリコントランジスタの隣に埋め込まれた」という。
問題のトランジスタは、昨年2月に私たちが報じたニューサウスウェールズ大学の研究者マーティン・フュークスル博士が開発したトランジスタではありません。この新しい論文の執筆チームのアンドレア・モレロ博士は、このデバイスは量子スケールで構築されたトランジスタだが、量子情報を運ぶものではないと説明しています。
モレロ博士はエル・レグ誌に対し、新論文で説明されているトランジスタは電子のスピンを読み取るように構成されていると説明した。電子が「下向き」に回転している場合、トランジスタにはエネルギーが流れ込まない。電子が「上向き」に回転している場合、電流が流れ、トランジスタがそれを捉え、研究チームは一般的なオシロスコープでその結果を確認できる。
モレロ博士は、その結果は「…キーボードで数字を入力するのと量子的に同じ」であり、シリコンでこれを行うことが重要であると指摘し、「シリコンは科学的に十分に理解されており、産業界がより容易に採用できるという利点がある」と指摘した。
もう一人の研究者、アンドリュー・ズラック教授はもう少し熱心に、この装置を「最も基本的なレベルで自然を支配する、驚くべき科学的成果」と表現している。
研究チームは現在、2つの実用的な量子ビットを論理ゲートに組み立てることを目指しており、これは量子コンピュータ構築に向けた次の論理的ステップとなる。モレロ氏によると、このようなデバイスの構築には未知の領域への踏み込みは必要ないが、完成には1～2年かかるという。
プロトタイプデバイスはすでに製作済みだと彼は述べ、2つのトランジスタを約15ナノメートル間隔で配置する設計の概要を示した。それぞれのトランジスタの上に1つのリン原子が配置され、それぞれの原子の電子軌道が交差する。「一方の原子にスピンを与えることができるのは、もう一方の原子のスピンに依存します」と彼は説明した。「これが論理演算を可能にする相互作用です。」®
リン原子の想像図（電子「雲」に囲まれた赤い球体）
シリコン単一電子トランジスタに結合されたスピン スピン トランジスタ (矢印はスピンの方向を示しています)。
マイクロ波放射のバースト (水色) は、電子スピンに情報を「書き込む」ために使用されます。
クレジット: トニー・メロフ
