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Sep 01, 2023

新しい形のシリコンが量子コンピューティングを目指す

これまで最も有望な量子コンピューターの一部には、絶対零度近くまで冷却された超伝導材料や、浮遊イオンや原子が保持されているなど、エキゾチックな材料やシステムが組み込まれています。

これまで最も有望な量子コンピューターの一部には、絶対零度近くまで冷却された超伝導材料や、電場やレーザートラップに保持された浮遊イオンや原子など、エキゾチックな材料やシステムが含まれていました。 しかし、従来のトランジスタや論理ゲートと同じくらい簡単に量子ビットや量子回路を構築できる信頼性の高い方法があれば、見慣れた古いシリコンは明らかによりスケーラブルで便利になるでしょう。

Qシリコンと呼ばれる新しい形のシリコンがまさにその切符になる可能性がある、とその開発者らは言う。 この物質をマテリアルズ・リサーチ・レターズ誌に報告したノースカロライナ州立大学の研究者らは、この物質は量子コンピューティングだけでなくリチウムイオン電池にも適した特性を持っていると述べている。

「母なる自然をだますには、熱力学的制約を克服する必要があるため、これを非常に迅速に行う必要があります。」 —ジェイ・ナラヤン、ノースカロライナ州立大学

シリコンには通常 3 つの形態があります。1 つは結晶で、原子は規則正しい構造をしています。 アモルファス、原子がランダムに配置されている。 より小さな結晶単位がランダムに接続された多結晶。 結晶型では、シリコン原子がダイヤモンドの炭素原子と同じように詰まっており、4 つの原子がピラミッドの角を形成しています。

Q-シリコンにはダイヤモンドのようなピラミッドがランダムに配置されており、その結果、原子がより密に詰め込まれ、空きスペースが少なくなります。 NCSU の材料科学および工学の教授、ジェイ ナラヤン氏と彼の同僚は、高出力レーザーのナノ秒長のパルスでアモルファス シリコンを噴射し、それを 5 分の 1 マイクロ秒で冷却することによって Q シリコンを作成しました。

これは、従来の熱力学が引き継いで原子をシリコンの 3 つの自然発生形態の 1 つに再配置するのに十分な速さです。 「母なる自然をだますには、熱力学的制約を克服する必要があります。したがって、これを非常に迅速に行う必要があります」とナラヤン氏は言います。

研究者らは、Qシリコンは通常のシリコンでは見られない特性を明らかにすることを示した。 まず、室温では強磁性です。 強磁性。外部磁場に置かれたときに材料が磁化され、その後その磁化状態を保持する特性。 強磁性は通常、鉄やニッケルなどの金属に見られ、固体内の原子のバルク特性から生じます。 それらの磁気双極子は外部磁場によって整列することができ、それらの磁場が消えてもその場所を保持します。 しかし、これらの材料中の個々の電子を分離できれば、それらの電子のスピン（それ自体が上向きまたは下向き、またはその 2 つの量子の中間的な組み合わせである可能性がある）も、量子情報を符号化する手段として量子ビットとして使用できる可能性があります。

炭素とシリコン内の電子の数が偶数であるということは、通常、それらの電荷がすべて反対のスピンを持つペアで存在し、互いの磁場を打ち消し合うことを意味します。 そのため、シリコン内の個々の電子スピンを保持して操作することは、通常、エンジニアや材料科学者にとって選択肢ではありませんでした。 強磁性には単一の電子、つまり不対スピンが必要だとナラヤン氏は言う。 しかし、「急速な融解と冷却により、強磁性の不対スピンを作り出すことができます」と彼は言います。 「そのアイデアは、シリコンが不対スピンを持つことができれば、そのスピンに情報を保存できるということです。」

スピンを利用することは困難であり、人々は量子コンピューターへの道としてシリコンに注入されたリン原子のスピン状態を読み取ることを試みてきました。 ナラヤン氏は、Q シリコンを使えばシリコン原子のスピンを利用することがより簡単になる可能性があると述べています。 「Q シリコンは室温で強磁性であるため、今では量子コンピューターやその他あらゆる種類の興味深いアプリケーションを作成できます。」と彼は言います。

さらに、ホウ素原子をドープすると、Q シリコンは超伝導になると研究者らは報告しています。 既知の超電導体は通常、非常に低温でのみその超電導力を発揮するため、室温超電導体の報告には懐疑的な見方がつきものです。

これまでに知られている最高温度の超伝導体は、大気圧で 130 ケルビン未満で超伝導になります。 ナラヤン氏らは、ホウ素をドープした Q シリコンは 174 K で超電導に転移すると述べている。