ダイヤモンド量子ビットは室温で約2秒間データを保持します

量子コンピューターを構築するには、科学者はまず、制御可能かつ測定可能な実用的なキュービット、つまり量子ビットを構築する必要があります (これは、非常に量子的な理由から、かなり難しいことです)。しかし、ハーバード大学の物理学者グループは、いくつかの重要な障害を克服し、研究室で生成されたダイヤモンドの不純物を、室温でほぼ 2 秒間 (量子コヒーレンス時間では永遠に相当する時間) 情報を保持できる量子ビットに変換しました。

現在開発中の量子コンピューティング システムのほとんどは (最近、そのいくつかについて記事を書いた)、レーザーでイオンを捕らえたり、研究室で「人工原子」を生成して絶対零度近くまで冷却したりする複雑なシステムに依存している。これは困難で、リソースを大量に消費する作業だ。ハーバード チームの最大のイノベーションは、コヒーレンス時間 (量子システムが読み取り可能な情報を保持できる時間) のこれまでの記録を破ったことだ。しかも、室温で達成したのだ。

量子コンピューティングの深いところまで踏み込むことなく（かなり深く、混乱を招き、概して直感に反する場所である）、研究者らは、これまでダイヤモンドベースの量子システムの欠点であった特性を自分たちの利点に変えることができたと言えば十分だろう。これまでの研究では、ダイヤモンド内の窒素空孔（NV）中心の量子スピンを利用して量子ビットを作成していたが、NV中心はコヒーレンス時間がわずか100万分の1秒と短いため、実用的な量子ビットとしては実現不可能であることが判明した。

原因は、ダイヤモンドに含まれる不純物、炭素 13 です。ダイヤモンド結晶の原子の大部分は炭素 12 で、量子スピンを持ちません。しかし、近くの炭素 13 原子のスピンが NV と相互作用し、コヒーレンス時間が短くなっていました。そこでハーバード大学のチームは、システムを根本から変え、代わりに炭素 13 を量子ビットとして使用しました。英国の人工ダイヤモンド専門家の協力を得て、99.99 パーセントの炭素 12 ダイヤモンドを作成し、窒素を照射して NV 中心を作成しました。

その後、研究者たちはシステムを逆に操作し、近くの炭素 13 原子のスピンに情報をエンコードしました。コヒーレンス時間はかなり長く、約 2 秒で以前の研究よりも 6 桁も改善されました。また、炭素 13 と NV 中心の相互作用により NV が炭素 13 を反映するため、研究者たちは NV を監視することで炭素 13 の状態を正確に測定することができました。

これは決して実用的な量子コンピュータではありませんが、室温で動作する実用的な量子ビットへの一歩です。研究者たちは、今後の課題のほとんどが技術的なものだと考えているため、コヒーレンス時間を数分、さらには数時間にまで延長できない理由はないと考えています。

サイエンスデイリー