量子コンピューティングに革命：走査トンネル顕微鏡で制御される単一原子キュビット

IBMリサーチチームが量子制御で画期的ブレイクスルーを達成、個々の原子が量子情報処理の信頼できるキュビットとして機能することを実証。

新論文「表面上の個々の原子のコヒーレントスピン操作」がScience誌に掲載。単一原子をキュビットとして使用する初の成功例を報告。量子ビット、またはキュビットは、量子コンピュータの前例なき処理能力を可能にする基礎単位です。

この成果は、原子を一度に一つずつ撮像・再配置する能力でノーベル賞を獲得したIBM発明の走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた単一原子キュビット初実現です。STMの精度が重要なのは、各原子キュビットをナノメートル精度で配置・配列でき、研究者たちにキュビットネットワークへのきめ細かな制御を与えるからです。

原子ビットからキュビットへの量子的飛躍

従来コンピュータでは基本データ単位はビットで、「0」または「1」のみ保持可能。対照的にキュビットは両状態の重ね合わせで同時に存在可能—これが量子優位性の核心です。重ね合わせにより量子プロセッサは多数の可能性を一度に評価し、特定計算を劇的に加速します。

実験ではチタン原子のスピンという量子特性をキュビットの物理的具現化として採用。チタン原子のスピンは微小磁気モーメントを与え、微細なコンパス針のような働きをします。北向きまたは南向きの二つの磁気配向が、キュビットの論理「0」または「1」を定義。超薄酸化マグネシウム層上にチタン原子を配置し、磁気モーメントを保護しコヒーレンスを維持します。

チタン原子に踊らせる

原子スピンを所望の重ね合わせへ操向するため、STMチップ経由で高周波マイクロ波パルスを供給。これらマイクロ波は原子の磁気モーメントを傾ける共鳴ラジオ周波数場のように作用。パルス周波数がスピン共鳴と一致すると、チタン原子はラビ振動と呼ばれる急速な歳差運動を起こし、約20ナノ秒で一回転完了。パルス持続時間を調整することで、原子の歳差運動を任意の中間角度で停止させ、必要な任意の重ね合わせ状態をエンコード可能。この技術、パルス電子スピン共鳴はSTMの並外れた感度でリアルタイム監視されます。

これら単一原子キュビットは磁場に高感度なため、量子センサーとしても機能し、近接原子からの微小磁気相互作用を検出可能。この感度を活用し、二つのチタンキュビットをエンタングルさせ、二キュビット系を形成—拡張可能な量子プロセッサへの重要なステップ、エンタングルメント頼りの高速化を実現。

二キュビットデバイス構築で、STMを用いチタン原子を精密規定位置へ操作、原子間距離わずか1ナノメートル達成。下図がこの設計ペアを示します。

二原子間の磁気相互作用—量子交換相互作用として知られる—がスピンを相反方向へ整列させ、二つの冷蔵庫マグネットのように振る舞います。この相互作用がキュビットのエンタングルメントを可能にするメカニズムで、各原子で独立に記述できない共有量子状態を創出。原子間隔とマイクロ波パルスパラメータ調整でエンタングルメント度合いを微調整可能。

パルススピン共鳴による重ね合わせとエンタングルメント制御は、デコヒーレンスなど基礎量子現象探求や、新規量子材料・磁性分子テストへの道を開きます。このブレイクスルーは実質的にアナログ量子シミュレータを提供し、次世代量子アルゴリズムに知見を与え得る複雑磁気相互作用探求プラットフォームとなります。

表面上の個々の原子のコヒーレントスピン操作、Kai Yang, William Paul, Soo-Hyon Phark, Philip Willke, Yujeong Bae, Taeyoung Choi, Taner Esat, Arzhang Ardavan, Andreas J. Heinrich, Christopher P. Lutz, Science 366, 509 (2019)