2023-02-24 ペンシルベニア州立大学(PennState)
◆量子ビットは、量子力学に基づいており、「0」と「1」の両方に同時になることができる。これは重ね合わせと呼ばれ、量子コンピュータは通常の古典コンピュータよりも高性能にすることができます。しかし、量子コンピュータの構築には問題がある。
◆”IBMやGoogleなどが、超伝導量子ビットをベースにした量子コンピュータを作ってスケールアップしようとしています。”と、ペンシルバニア州立大学の物理学教授でこの研究のcorresponding authorであるJun Zhu氏は言っています。”量子コンピュータの動作にエラーを引き起こす古典的環境の悪影響をいかにして最小化するかは、量子コンピュータの重要な問題です。”
◆この問題の解決策は、トポロジカル量子ビットとして知られる量子ビットのエキゾチックバージョンに見出されるかもしれません。
◆トポロジカル量子ビットは、数学のトポロジーに関連しており、ある構造が曲げられたり伸ばされたりといった物理的な変化を受けながらも、元の形の特性を保持していることを意味する。理論的なタイプの量子ビットであり、まだ実現されていないが、基本的な考え方は、特定の材料のトポロジカルな性質が、古典的な環境によって乱される量子状態を保護することができるというものである。
◆トポロジカル量子コンピュータの鍵は、それに適した材料を開発することです。
◆この研究の研究者達は、ヘテロ構造と呼ばれる層状材料の一種を開発することで、この方向への一歩を踏み出しています。この研究のヘテロ構造は、トポロジカル絶縁体材料であるビスマス・アンチモン・テルル（(Bi,Sb)2Te3）の層と、超伝導材料層であるガリウムから構成されている。
◆「私たちは、(Bi,Sb)2Te3薄膜の表面における近接場誘起超伝導を調べるために、特別な測定技術を開発しました」とZhu教授は語る。「私たちの研究により、それが(Bi,Sb)2Te3膜の表面で実際に起こることが示されました。”
◆しかし、このようなトポロジカル絶縁体/超伝導体ヘテロ構造の作成は困難です。「材料によって格子構造が異なるため、通常は簡単ではありません」と李教授は言う。「また、2つの材料を一緒にすると、互いに化学反応する可能性があり、厄介な界面になってしまうのです」。
◆そこで、研究者達は、MRSECで研究されている、閉じ込めヘテロエピタキシーと呼ばれる合成技術を使用しています。この方法では、ガリウム層と（Bi, Sb）2Te3層の間に、エピタキシャルグラフェン（1～2原子厚の炭素原子のシート）層を挿入する。これにより、各層を界面結合させることができる、グラフェンは、この2つの物質を分離し、化学的バリアーとして機能します。
◆さらに、研究者達は、この技術が、ウェハレベルでスケーラブルであることを実証しており、これは、将来の量子コンピューティングにとって魅力的な選択肢となりそうです。
＜関連情報＞
- https://www.psu.edu/news/materials-research-institute/story/new-material-may-offer-key-solving-quantum-computing-issue/
- https://www.nature.com/articles/s41563-023-01478-4
エピタキシャルトポロジカル絶縁体/グラフェン/ガリウムヘテロ構造における近接場誘起超伝導 Proximity-induced superconductivity in epitaxial topological insulator/graphene/gallium heterostructures
Cequn Li,Yi-Fan Zhao,Alexander Vera,Omri Lesser,Hemian Yi,Shalini Kumari,Zijie Yan,Chengye Dong,Timothy Bowen,Ke Wang,Haiying Wang,Jessica L. Thompson,Kenji Watanabe,Takashi Taniguchi,Danielle Reifsnyder Hickey,Yuval Oreg,Joshua A. Robinson,Cui-Zu Chang & Jun Zhu
Nature Materials Published:13 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41563-023-01478-4
Abstract
The introduction of superconductivity to the Dirac surface states of a topological insulator leads to a topological superconductor, which may support topological quantum computing through Majorana zero modes1,2. The development of a scalable material platform is key to the realization of topological quantum computing3,4. Here we report on the growth and properties of high-quality (Bi,Sb)2Te3/graphene/gallium heterostructures. Our synthetic approach enables atomically sharp layers at both hetero-interfaces, which in turn promotes proximity-induced superconductivity that originates in the gallium film. A lithography-free, van der Waals tunnel junction is developed to perform transport tunnelling spectroscopy. We find a robust, proximity-induced superconducting gap formed in the Dirac surface states in 5–10 quintuple-layer (Bi,Sb)2Te3/graphene/gallium heterostructures. The presence of a single Abrikosov vortex, where the Majorana zero modes are expected to reside, manifests in discrete conductance changes. The present material platform opens up opportunities for understanding and harnessing the application potential of topological superconductivity.
