フェルミ研究所主導の研究、量子ビットの欠陥とデバイス性能の関連を解明

画像: SQMS Center, Fermilab · news.fnal.gov

Fermi National Accelerator Laboratoryが主導するSQMS Centerの研究者らは、22個の超伝導量子デバイスの調査を通じて、量子ビット材料の表面、界面、形状をデバイスの性能変化に直接結びつけました。6つの機関と7つの評価手法にわたるこの異例の大規模な共同研究では、バイアスのない結果を保証するために、どのデバイスがどのような性能であったかを知らずに材料を分析するブラインド手法が採用されました。

米国エネルギー省の基礎エネルギー科学担当副局長であるBindu Nair氏によれば、「量子情報科学の進展は、原子レベルで物質を制御する能力と根本的に結びついている」とのことです。この研究は、信頼性の高い量子技術を構築するために不可欠な、材料欠陥に関する科学的根拠に基づいたガイドを提供します。

SQMS Center、材料欠陥を量子ビットの性能に関連付け

研究者らは、22個の超伝導量子デバイスの個々の機能を事前に知ることなく分析するという、独自に偏りのないアプローチを通じて、特定の材料特性と量子ビット性能の間の相関関係を特定しました。チームは非破壊的な初期評価フェーズを採用し、複数の評価手法を使用して特徴を特定してから、より侵襲的な手法を導入しました。この戦略により、欠陥を性能のばらつきに関連付ける客観的な意思決定プロセスが可能になりました。量子ビット研究では珍しいこの手法は、材料の欠陥とデバイスの挙動の間に信頼できる関連性を確立するのに役立ちました。

この研究のデザインは意図的にバイアスを最小限に抑えており、評価チームは分析が完了するまで量子ビットの性能データを知らされないままでした。これにより、表面粗さから界面の品質に至るまで、観察された特徴を包括的に定量化することが可能になり、最終的には単一のデバイスの調査や孤立した評価手法の使用では識別が困難であった、一般化可能な傾向の特定が促進されました。

得られたデータは、量子ビットのコヒーレンスを高めるための材料処理、製造技術、表面処理の改善に向けたロードマップを提供します。もともと粒子加速器用に開発された超伝導高周波（SRF）空洞に関する深い専門知識が、SQMS Centerの量子ビットの設計と製造のアプローチを支えています。

この専門知識により、現在超伝導システムで測定されている中で最も長いコヒーレンス時間を達成するSRFベースの量子ビットの作成が可能になります。同センターの取り組みは、超伝導量子技術を拡張するために2025年後半に受け取った1億2500万ドルの投資に基づいており、2026年2月には20ミリ秒を超えるコヒーレンス寿命を示すマルチモード量子プロセッサの報告に続いています。

量子プロセッサが複雑さを増すにつれ、システム全体の性能は最も弱い量子ビットによって制限されるため、チップ全体の性能のばらつきを最小限に抑えることが不可欠になります。「量子プロセッサを大規模化する際、性能は最高の量子ビットによって決まるのではなく、最悪の量子ビットによって決まります。低性能の量子ビットが1つあるだけで、それに依存する計算のフィデリティ（忠実度）が低下するからです」と研究者らは説明しました。チームの分析により、量子ビット材料の表面、界面、形状が性能に直接影響を与えることが明らかになり、単なる欠陥の特定を超えて、材料特性と実際のデバイスの挙動の間の明確な関連性が確立されました。