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2024-04-10 18:34:56
短期的な量子コンピューターでこれまで以上に高い量子ビット数を追求するには、エンジニアリングの新たな偉業が常に必要となります。
このスケールアップ競争における厄介なハードルの 1 つは、量子ビットの測定方法を改良することです。 これらの測定には、伝統的にパラメトリックアンプと呼ばれるデバイスが使用されてきました。 しかし、名前が示すように、このデバイスは量子ビットから拾った弱い信号を増幅して読み出しを行うため、不要なノイズが発生し、追加の大型コンポーネントで保護されていない場合は量子ビットのデコヒーレンスを引き起こす可能性があります。 さらに重要なのは、サイズが制限された冷蔵庫で量子ビット数が増加するにつれて、増幅チェーンのサイズが大きくなり、回避することが技術的に困難になることです。
アアルト大学の研究グループ「量子コンピューティングとデバイス (QCD)」を紹介します。 彼らは、熱ボロメータを超高感度検出器としてどのように使用できるかを示した豊富な実績を持っており、4月10日のNature Electronicsの論文で、ボロメータの測定がシングルショット量子ビットの読み出しに十分な精度を備えていることを実証したばかりです。
新しい測定方法
多くの物理学者が残念がっているのは、ハイゼンベルクの不確定性原理により、信号の位置と運動量、または電圧と電流を同時に正確に知ることはできないということです。 したがって、パラメトリック電圧電流アンプを使用して行われる量子ビット測定にも当てはまります。 しかし、ボロメータエネルギーセンシングは根本的に異なる種類の測定であり、悪名高いハイゼンベルクの規則を回避する手段として機能します。 ボロメータはパワー、つまり光子数を測定するため、パラメトリックアンプのようにハイゼンベルグの不確定性原理に起因する量子ノイズを追加する必要はありません。
増幅器とは異なり、ボロメータは、侵襲性が最小限の検出インターフェイスを介して量子ビットから放出されるマイクロ波光子を非常に微妙に感知します。 このフォームファクタは、対応するアンプに比べて約 100 倍小さいため、測定デバイスとして非常に魅力的です。
「量子超越の未来について考えるとき、数千、さらには数百万という高い量子ビット数が当たり前になる可能性があることは容易に想像できます。 この大規模なスケールアップには、各コンポーネントのフットプリントを注意深く評価することが絶対に必要です。 で示しました。 ネイチャーエレクトロニクス 私たちのナノボロメータは従来の増幅器の代替品として真剣に検討できるという論文でした。 私たちの最初の実験では、これらのボロメータがシングルショット読み出しに十分な精度を持ち、追加の量子ノイズがなく、消費電力が一般的なアンプよりも 10,000 分の 1 であることがわかりました。これらはすべて小さなボロメータに収められており、その温度に敏感な部分は単一の細菌の中に収まる可能性があります」と、QCD 研究グループを率いるアアルト大学教授のミッコ・モットーネン氏は言います。
シングルショット忠実度は、複数の測定の平均ではなく、デバイスが 1 回の測定で量子ビットの状態をどの程度正確に検出できるかを物理学者が判断するために使用する重要な指標です。 QCD グループの実験の場合、約 14 マイクロ秒の読み出し期間で 61.8% のシングルショット忠実度を得ることができました。 量子ビットのエネルギー緩和時間を補正すると、忠実度は 92.7% まで跳ね上がります。
「わずかな修正を加えれば、ボロメータが 200 ナノ秒で望ましい 99.9% のシングルショット忠実度に近づくことが期待できます。」 たとえば、ボロメータの材料を金属からグラフェンに置き換えることができます。グラフェンは熱容量が低く、エネルギーの非常に小さな変化を迅速に検出できます。 そして、ボロメータとチップ自体の間の他の不要なコンポーネントを取り除くことで、読み出しの忠実度をさらに向上させることができるだけでなく、より高い量子ビット数へのスケールアップをより実現可能にする、より小型でシンプルな測定デバイスを実現することができます。」この論文の筆頭著者であり、QCD グループの博士研究員でもあるアンドラス・グニホ氏は言う。
最新の論文でボロメータのシングルショット読み出し忠実度の高さを実証する前に、QCD 研究グループは 2019 年にボロメータが超高感度のリアルタイムマイクロ波測定に使用できることを初めて示しました。その後、彼らは 2020 年に次のことを示す論文を Nature に発表しました。グラフェンで作られたボロメーターがどのようにして読み出し時間をマイクロ秒以下に短縮できるのか。
この研究は、フィンランド研究評議会の量子技術センター・オブ・エクセレンス(QTF)で、フィンランドのVTT技術研究センターおよびIQM量子コンピュータと協力して、OtaNano研究インフラを使用して実施されました。 このプロジェクトは主に、欧州研究評議会の Advanced Grant ConceptQ と、Jane & Aatos Erkko Foundation および Technology Industries of Finland Centennial Foundation の Future Makers Program によって資金提供されました。
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