SQMSセンター、画期的な研究により量子ビット性能のばらつきの材料的起源を解明

なぜ一部の超伝導量子ビットが他よりも優れた性能を発揮するのかを理解することは、量子コンピューティングにおける最も重要な課題の1つであり続けています。量子ビットの量子状態がコヒーレンスを維持し、減衰しない限り、情報は保持され、現在のコンピュータの能力をはるかに超える高度な計算で処理できる可能性があります。

過去10年間で、研究者たちは量子ビットの製造に使用される材料において、コヒーレンスを制限する可能性のある多くの欠陥を特定してきましたが、同一の設計の量子ビットがなぜ異なる性能を示すのかを説明する微視的な特徴を確立することは依然として課題でした。今回、フェルミ国立加速器研究所が主導するSuperconducting Quantum Materials and Systems Center（SQMS）の研究者たちは、表面、界面、幾何学的形状などの材料とその構造を量子デバイスの性能のばらつきに関連付けた、これまでで最も包括的な研究の1つを完了しました。この研究は、デバイスの製造に直接つながる新しい知見を提供し、実用的で信頼性の高い量子コンピュータの構築に向けた道程における重要な一歩となります。

Fermilab、ノースウェスタン大学、Rigetti Computing、エイムズ国立研究所、米国国立標準技術研究所（NIST）、および英国国立物理学研究所が参加した大規模な研究において、SQMSの研究者たちは、Fermilab、Rigetti、およびNISTによって製造された22個の超伝導トランスモン量子ビットを調査しました。トランスモンは特定のタイプの超伝導量子ビットであり、量子ビットの状態を反転させる可能性のある電荷のわずかな変動に対して感度がはるかに低くなるように設計されており、今日の超伝導量子コンピューティングで最も広く使用されている量子ビット設計の1つとなっています。7つの異なる材料特性評価技術を用いて、チームはさまざまなレベルの量子状態コヒーレンスを示す量子デバイスの材料特性を記録し、デバイス性能データとの相関関係を調査しました。この研究結果は、Applied Physics Reviewsに掲載されました。

「量子情報科学の進展は、原子レベルで物質を制御する私たちの能力と根本的に結びついています」と、米国エネルギー省のBasic Energy Scienceの副ディレクターであるBindu Nair氏は述べました。「SQMSが主導する協調的な取り組みは、超伝導デバイスの性能のばらつきの背後にある材料欠陥に関する科学的根拠に基づいた指針を提供し、観察から相関へと私たちを前進させます。この基礎知識は、国家のために次世代の信頼性が高く、再現性のある、強力な量子技術を構築するために不可欠です。」

相関関係に基づく研究

長年、SQMSの研究者たちは、材料、界面、表面化学が超伝導量子ビットの量子状態のコヒーレンスにどのように影響するかを調査してきました。センターの活動以前、Fermilabの研究者たちは高コヒーレンス状態を維持する空洞を研究し、それらを使用してニオブ酸化物が量子デバイスの性能にどのように影響するかを理解しました。センターの存続期間を通じて、熱処理による酸化物の理解と制御は引き続き焦点となっています。これらの研究は、超伝導表面を保護し性能を向上させるために設計された表面カプセル化アプローチの開発に貢献しました。