従来のコンピュータでは多大な労力を要するか、あるいは全く解決できない問題を解決できる量子コンピュータの開発――これは現在、世界中でますます多くの研究チームが追求している目標です。その理由は、最小の粒子や構造の世界から生じる量子効果が、多くの新しい技術応用を可能にするからです。量子力学の法則に従って情報や信号を処理できるいわゆる超伝導体は、量子コンピュータを実現するための有望な構成要素と考えられています。しかし、超伝導ナノ構造の難点は、非常に低い温度でしか機能しないため、実用化が難しいことです。
ミュンスター大学とユーリッヒ研究センターの研究者らは今回、高温超伝導体（量子力学的効果が支配的となる温度以下まで温度が上昇した超伝導体）で作られたナノワイヤーにおいて、エネルギー量子化と呼ばれる現象を初めて実証した。この超伝導ナノワイヤーは、情報を符号化するために利用できる特定のエネルギー状態のみをとる。研究者らはまた、高温超伝導体において、情報を伝達する光粒子である単一光子の吸収を初めて観測することにも成功した。
「今回の研究結果は、将来の量子技術における冷却技術の大幅な簡素化に貢献する可能性があり、また、いまだ解明されていない超伝導状態とそのダイナミクスを支配するプロセスについて、全く新しい知見をもたらしてくれる」と、研究リーダーであるミュンスター大学物理学研究所のカーステン・シュック准教授は強調する。したがって、今回の研究結果は、新しいタイプのコンピュータ技術の開発にも関連する可能性がある。この研究は、学術誌「Nature Communications」に掲載された。
科学者たちは、イットリウム、バリウム、酸化銅、酸素からなる超伝導体、略してYBCOを用いて、数ナノメートルの極細線を作製した。これらの構造が電流を流すと、「位相ずれ」と呼ばれる物理現象が発生する。YBCOナノワイヤの場合、電荷キャリア密度の変動が超伝導電流の変化を引き起こす。研究者たちは、摂氏マイナス253度に相当する20ケルビン以下の温度でナノワイヤ内のプロセスを調査した。モデル計算と組み合わせることで、ナノワイヤ内のエネルギー状態の量子化を実証した。ワイヤが量子状態に入る温度は12～13ケルビンであることが判明した。これは、通常使用される材料に必要な温度の数百倍である。これにより、科学者たちは、より長い寿命を持ち、量子力学的状態をより長く維持できる共振器、すなわち特定の周波数に同調した振動システムを作製することが可能になった。これは、今後ますます大型化する量子コンピュータの開発にとって不可欠な前提条件である。
量子技術の開発、そして将来的には医療診断においても重要な構成要素となるのが、単一光子さえも検出できる検出器である。ミュンスター大学のカルステン・シュック研究グループは、超伝導体を用いたこのような単一光子検出器の開発に数年にわたり取り組んできた。低温ではすでにうまく機能しているこの検出器を、世界中の科学者が10年以上も高温超伝導体で実現しようと試みてきた。今回の研究で使用されたYBCOナノワイヤでは、この試みが初めて成功した。「私たちの新たな発見は、実験的に検証可能な新たな理論的記述と技術開発への道を開くものです」と、シュック研究グループの共著者マーティン・ウォルフは述べている。
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投稿日時：2020年4月7日