量子コンピュータ開発に関する現在の研究の多くは、極低温での動作を伴います。量子コンピュータを日常的な使用により実用化するための課題は、室温で動作させることです。
この画期的な成果は、いくつかの日常的な材料の使用によってもたらされ、詳細は本日 Nature Communications 誌に掲載されました。
現代の典型的なコンピューターは、0 と 1 で表される離散ビットの 2 進数システムを使用して情報を表します。
量子コンピュータは、量子ビット（キュービット）の列を使用します。キュービットは、情報を0または1、あるいは0と1の間の一連の状態（キュービットの量子重ね合わせ）のいずれかで表すことができます。
この飛躍により、量子コンピューターは、今日の一般的なコンピューターよりもはるかに迅速かつ強力に問題を解決できるようになります。
すべてはスピンの中に
電子は電荷とスピンを持ちます。スピンは原子が磁場を生成するかどうかを決定します。スピンは、古典的には0と1で表されるスピンアップとスピンダウンの量子状態間の遷移を起こすことができるため、量子ビットとしても利用できます。
しかし、電子スピン状態は「デコヒーレンス」に対して堅牢でなければなりません。これは、量子重ね合わせの際に電子スピンが乱れ、情報の損失につながる現象です。
電子スピン寿命は、物質内の格子振動と隣接する磁気相互作用の影響を受けます。量子コンピューティングには、100ナノ秒を超える長い電子スピン寿命が必要です。
材料を絶対零度（-273℃）に近い低温まで冷却すると、スピン寿命は確かに延びます。また、磁気的に純粋な導電性材料の使用も同様です。
クールなコンピューティング
そのため、シリコンや金属などの原子的に重い材料を使用する量子デバイスは、絶対零度に近い低温まで冷却する必要があります。
室温での量子操作には、他の材料も用いられてきました。しかし、これらの材料は同位体工学的に設計する必要があり、原子炉のような大規模な施設が必要となり、量子ビットの密度にも制限が生じます。
金属有機クラスター化合物などの分子も使用されていますが、これも低温と同位体工学が必要です。
量子コンピューティングに量子ビット材料システムを適用する実現可能性に関しては、考慮すべき明確かつ確立されたトレードオフが存在します。
原子量が軽く、室温で100ナノ秒を超える長い電子スピン寿命を持つ導電性材料は、実用的な量子コンピューティングを可能にするでしょう。このような材料は、現在の固体材料による量子ビット方式の最良の側面を兼ね備えたものになるでしょう。
防虫剤が必要な理由
我々は、炭素ナノ球で構成された金属のような材料において、室温で長い伝導電子スピン寿命を達成できることを実証しました。
この物質は防虫剤の有効成分であるナフタレンを単に燃焼させることによって生成されました。
この材料は固体粉末として製造され、空気中で取り扱うことができます。その後、エタノールや水などの溶媒に分散させたり、ガラスなどの表面に直接塗布したりすることができます。材料は非常に均質であるため、バルクの固体粉末で測定を行うことができました。
これにより、室温で175ナノ秒という新たな電子スピン寿命記録を達成することができました。これは長い時間のようには思えないかもしれませんが、量子コンピューティングへの応用に必要な条件を超えており、グラフェンの約100倍に相当します。
これは、材料が伝導電子を自己ドーピングし、ナノメートル単位の空間に閉じ込められているためと考えられます。これは基本的に、球状体がその独自の電子特性を維持しながら、完全に炭素で作られることを意味します。
私たちの研究により、導電性材料中のスピン量子ビットを室温で操作できる可能性が開かれました。この方法では、ホスト材料の同位体工学、スピンを運ぶ分子の希釈、極低温などは一切必要ありません。
これにより、原理的には、シリコンで使用されるような他の有望な量子ビットよりも高密度の量子ビットのパッキングが可能になります。
コスト削減
一般的な実験用試薬を使用して炭素材料を非常に簡単に調製できるため、実用的な量子コンピューティングを実現するための多くの技術的障壁が軽減されます。
たとえば、物質を絶対零度近くまで冷却するために必要な冷却システムは、数百万ドル以上の費用がかかり、大きな部屋ほどの物理的なスペースを占有することがあります。
量子コンピュータを構築するには、量子ビットが量子状態の重ね合わせを含む操作を受けることができることを実証し、機能する量子論理ゲート（スイッチ）を構築する必要があります。
私たちの研究では、前者を実証し、後者を科学のブレークスルーではなく工学の問題として捉えました。次のステップは、量子論理ゲート、つまり実際のデバイスを構築することです。
注目すべき点は、この材料がデバイス処理に適した形で作製されていることです。私たちは既に、個々の導電性カーボンナノスフィアをシリコン表面上に分離できることを実証しています。
原則的に、これは既存のシリコン技術や薄膜ベースの電子機器に統合される高密度ナノ球の量子ビットアレイへの最初の道となる可能性があります。
モハマド・チョカイール、シドニー大学研究員
この記事はThe Conversationに掲載されたものです。元の記事はこちらです。
