Research press release

量子計算:超低温状態を脱した量子ビット

Nature

Quantum computing: Qubits come out of the ultra-cold

既存の技術と比べると最大で15倍高い温度で動作する量子計算プラットフォームが実証されたことを報告する2編の論文が、今週、Nature に掲載される。このように相対的な温度上昇は非常に小さいが、現行の試作品を処理能力の高い大型の量子コンピューターにするスケーラビリティーに大きな違いをもたらす可能性がある。

(古典的計算におけるビットに対応する)量子ビットは、超伝導回路によって実現でき、シリコンなどの半導体内にも生成できる。こうした固体プラットフォームは、極端に低い温度まで冷却する必要がある。熱によって発生する振動によって量子ビットが破壊され、パフォーマンスの低下につながることがあるからだ。一般に、固体プラットフォームは、約0.1ケルビン(摂氏−273.05度)で動作する必要があり、そのためには高コストの冷却方法を必要とする。

このほど、1ケルビンを超える温度でシリコンを用いた量子計算プラットフォームを動作させて原理証明実験を行う2つの独立した研究が行われ、その結果がそれぞれの論文に報告されている。Menno Veldhorstたちの研究チームは、1.1ケルビンで動作する量子回路を作製し、Andrew Dzurakたちの研究チームは、約1.5ケルビンで動作するシステムを実証した。いずれの研究もシリコン中に閉じ込められた電子のスピンを量子ビットとして用いた。この電子スピンは、周囲の物質から十分に分離されているため、1ケルビンを超える温度でも十分に機能することが実証された。この温度では、冷却装置が強力に作動するため、量子ビットを制御するための局所的な電子回路を導入することができる。このことは、量子プロセッサーを数百万量子ビットまでスケールアップするための前提条件であるという考えをVeldhorstたちもDzurakたちも示している。

1ケルビンを下回る温度域への冷却は困難を伴い、多額の費用を要するため、今回の研究によって動作温度が1ケルビン超に引き上げられたことは、重要なマイルストーンとなる。動作温度が1ケルビンを超えれば、コストが大幅に下がり、効率が高まるからだ。また、シリコンを用いたプラットフォームを利用するということは、シリコンを用いた既存のハードウェアを使用する古典的計算システムへの統合に役立つため、魅力的である。

Quantum computing platforms that can operate at temperatures up to 15 times higher than existing technologies are demonstrated in two papers published in Nature this week. Although the relative temperature increase is quite small, it could make a big difference to the scalability of current prototypes into larger and more powerful quantum computers.

Quantum bits — the analogue to classical computing bits — can be realized by superconducting circuits or formed within semiconductors, such as silicon. These solid-state platforms require cooling to extremely low temperatures because vibrations generated by heat disrupt the qubits, which can impede performance. Typically, solid-state platforms need to operate at around 0.1 kelvin (−273.05 degrees Celsius), requiring expensive refrigeration approaches.

Two independent studies report proof-of-principle experiments with silicon-based quantum computing platforms operating at temperatures above 1 kelvin. Menno Veldhorst and colleagues produce a quantum circuit that operates at 1.1 kelvin, and Andrew Dzurak and co-workers demonstrate a system that operates at around 1.5 kelvin. Both studies use as qubits the spin of electrons confined in silicon, which are so well-isolated from the surrounding material that they are shown to be able to function well even at temperatures above 1 kelvin. At this temperature, fridges are powerful enough to allow the introduction of localized electronics for controlling the qubits, which the authors suggest is a pre-requisite for scaling up these quantum processors to millions of qubits.

Elevating the operating temperature beyond 1 kelvin is an important milestone, as cooling below this threshold is challenging and expensive. As temperatures rise above 1 kelvin, the cost drops substantially and the efficiency improves. In addition, using silicon-based platforms is attractive, as this can assist integration into classical systems that use existing silicon-based hardware.

doi: 10.1038/s41586-020-2171-6

「Nature 関連誌注目のハイライト」は、ネイチャー広報部門が報道関係者向けに作成したリリースを翻訳したものです。より正確かつ詳細な情報が必要な場合には、必ず原著論文をご覧ください。

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