古典的コンピュータでは多大な労力を要し、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。これが現在、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、最小の粒子と構造の世界に由来する量子効果が、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と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。 googletag.cmd.push(function() { googletag.display('div-gpt-ad-1449240174198-2′); });
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、高温超伝導体（量子力学効果が支配的となる温度よりも低い温度にまで超伝導体が上昇する）で作られたナノワイヤにおいて、いわゆるエネルギー量子化を初めて実証した。超伝導体ナノワイヤは、情報の符号化に利用可能な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、情報伝達の役割を果たす光粒子である単一光子の吸収を初めて観測することに成功した。
「我々の研究成果は、一方では、将来の量子技術において、大幅に簡素化された冷却技術の利用に貢献する可能性があります。他方では、未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関する全く新しい知見を提供してくれます」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、この研究成果は、新しいタイプのコンピューター技術の開発に重要な意味を持つ可能性がある。本研究は、Nature Communications誌に掲載されている。
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ワイヤーを作製した。これらの構造が電流を流すと、「位相スリップ」と呼ばれる物理的ダイナミクスが発生する。YBCOナノワイヤーの場合、電荷キャリア密度の変動が超電流の変動を引き起こす。研究者たちは、マイナス253℃に相当する20ケルビン以下の温度におけるナノワイヤー内のプロセスを解析した。モデル計算と組み合わせることで、ナノワイヤーにおけるエネルギー状態の量子化を実証した。ワイヤーが量子状態に入る温度は12～13ケルビンであることが分かった。これは、通常使用される材料に必要な温度の数百倍も高い温度である。これにより、科学者たちは、特定の周波数に同調した共振器、すなわち振動システムの寿命を大幅に延ばし、量子力学的状態をより長く維持することが可能になった。これは、より大型の量子コンピュータの長期的な開発の前提条件となる。
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す。ミュンスター大学のカーステン・シュック氏の研究グループは、超伝導体をベースとしたこのような単一光子検出器の開発に長年取り組んできました。低温では既に良好な動作を実現しているものを、世界中の科学者が10年以上前から高温超伝導体を用いて実現しようと試みてきました。本研究で用いられたYBCOナノワイヤにおいて、この試みは初めて成功しました。「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、シュック氏の研究グループの共著者であるマーティン・ウォルフ氏は述べています。
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投稿日時: 2020年4月7日