スピン量子ビットを使いこなす

With Professor Tzu-Kan Hsiao, Assistant Professor at National Tsing-Hua University, Taiwan

スピン量子ビットは固体量子コンピューターを構築するための重要な候補のひとつです。

この分野を探求している研究者の一人が、Tzu-Kan Hsiao教授です。 ケンブリッジ大学で音響駆動単一電子輸送と単一光子放出半導体の博士号を取得したHsiao教授は、2019年から2022年までオランダのTUDelftにあるQuTechでポスドクを務めている間に、スピン量子ビット研究に情熱を持つようになりました。 台湾の国立清華大学（NTHU）に昨年移り、スピン量子情報ラボを設立し研究のために弊社の無冷媒希釈冷凍機ProteoxMXが設置されている。

この研究室では、シリコンとゲルマニウムをベースとした高品質の量子ドット・スピン量子ビットの作製に注力しており、最終的には量子コンピューティングのためのデバイス作成を目指しています。 これと並行して、研究グループはスピンの量子シミュレーターを使って、高温超伝導のような関連物理学の理論モデルをテストしています。 シャオ教授に話を伺いました。

「スピン量子ビットを作るために必要なのは、個々の電子（ホール）を閉じ込めるナノ構造（量子ドット）を作ることです。 この電子（ホール）はスピンと呼ばれる固有の性質を持っており、小さな磁石と考えることができます。 この小さな磁石を閉じ込めれば、磁場を印加してスピンダウン状態とスピンアップ状態に分けることができ、量子ビットの0と1を使うことができるのです」。

Setting up for success

シャオ教授はラボを立ち上げる際、ProteoxMX希釈冷凍機を導入することにしました： 「ProteoxMXを選んだ理由はいくつかあります。 私はポスドク時代にオックスフォード・インストゥルメンツの装置に慣れ親しんでおり、その装置を使うのが好きでした。 しかし、最も重要なことは、ProteoxMXのサンプルローダーの設計がNTHUの研究目的に理想的で、試料交換後の実験開始までの時間が非常に速いことです。

システム全体を開けずにサンプルを冷凍機に装填することができ、ベース温度までの冷却時間が速いということは、研究チームが迅速な実験に対応できることを意味すしています。 一日の終わりに投入されたサンプルは、次の日には測定可能な状態になっており、研究チームは新しいデバイスを迅速に測定できます。 

「これは、新しい研究室として本当に重要なことです」とシャオ教授は語ってくれました。 このデバイスのテストから得られるすべての情報は、長期的により良いデバイスを作るために、製造レシピを最適化するのに役立ちます」。

Mastering an electron’s quantum dance

量子ドット・デバイスが完成すれば、研究チームは高忠実度のスピン量子ビット制御と読み出しを完成させる予定です。 「これはスピン量子ビットの世界ではごく一般的なことですが、私たちの研究室でよりユニークなのは、量子ドットのアレイを物性物理学のシミュレーターとして使っていることです」とシャオ教授は説明しました。

個々の電子とスピンを閉じ込めることで、それぞれの電子スピンの相互作用を制御できるということです。 そこから、系全体の相互作用を制御することができます。これにより、この系の基底状態、つまり最低エネルギー状態を探索することができ、基本的な材料特性を理解することができるのです」。 これは量子デバイスの近い将来の目標なのです。

 The future is bright

NTHUのスピン量子情報研究室は最近、量子ドット・デバイスの最初のバッチを作製し、予備的な結果は有望でした。 マルチ量子ドット・デバイスを作るレシピが確立されれば、次の目標は多体系の探索に進むことになります。

スピン量子ビットの実験は、ある物質がどのように機能するかを理解するのに役立ちます。 例えば、超伝導体の中にはどのように機能するのか完全には解明されていないものがあり、物質が高温超伝導になる理由も未解決のままです。 このような多体系の基底状態や量子ダイナミクスを探求することで、これらの物質の内部構造に関するさらなる洞察を解き明かすことができるかもしれません」。

研究室には現在8人の修士課程の学生がおり、この分野はますます注目されています。 「物理学科の学生たちが、量子研究に興味を持ち、私のところに来るようになりました。 若い人たちがこの物理学分野に興味を持ち始めているのです」。 彼らはこのような研究をしている研究所に入りたがっていますし、現在最も進んだ技術研究分野のひとつと言える分野の一部になりたがっています」。