微弱な熱を検出することで、より安定した量子コンピュータの実現に道を開く(By detecting tiny flashes of heat, scientists pave way for more stable quantum computers)

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量子科学者の国際共同研究により、コンピューターなどの量子技術に不可欠な超伝導量子回路の熱散逸を測定する新しい方法が発見された。この発見は、量子世界と熱の相互作用を研究する実験的量子熱力学の分野で一歩前進を意味し、量子デバイスの改良に道を開くものである。 An international collaboration between quantum scientists resulted in a new way to measure heat dissipation in superconducting quantum circuits – crucial building blocks for quantum technologies such as computers. The discovery represents a step forward for experimental quantum thermodynamics, the field investigating the interaction of the quantum world and heat, and paves the way for improved quantum devices.

2023-01-16 フィンランド・アールト大学

 従来のコンピュータが熱によって限界を迎えているように、量子コンピュータも熱によって限界を迎えています。量子コンピュータの熱放散を検出し制御することは、より優れた安定したマシンを開発する上で重要です。アールト、グルノーブル・アルプ大学、コンスタンツ大学の研究者らは、量子デバイスのいわゆる位相スリップにおける熱放散に関する理論を検証するために共同研究を行いました。その結果、信頼性が高く効率的な散逸の測定方法を発見し、さまざまな量子応用に対応できるように拡張することができました。この発見は、最近、Nature Physicsに掲載されました。
2018年から、量子コミュニティInstituteQの教授兼ディレクターであるユッカ・ペコラとアールト大学の博士研究員バヤン・カリミは、微小なエネルギー変化を測定する新しい種類の温度計を開発しています。これは、量子の世界で熱を調べるために誰もが使える微細なレンズの理論的限界に迫るものです。
研究者が国境を越えて協力することを可能にするマリー・キュリー・ネットワークの一環として、ペコラとカリミは、上級科学者のヨーナス・ペルトネンとともにフランスのグルノーブルに行き、アールトで開発したツールをフランスの研究者と共有しました。
クレメンス・ヴィンケルマン博士率いるグルノーブルの科学者たちは、理論モデルと実験装置を駆使して、ジョセフソン接合における位相スリップの熱放散を検出した。ジョセフソン接合は、2つの超電導体の間に電圧をかけずに常時電流を流す超電導回路の重要な部分である。位相スリップとは、量子粒子の状態が時間とともに変化することで、その際に極めて微小だが重要な熱量が発生する。
ヴィンケルマン教授とグルノーブル大学の研究チーム、特に博士課程の学生エフェ・ギュムス(Efe Gümüs)は、カリミ教授とペコラ教授の装置を使ってジョセフソン接合で位相スリップを観測し、スリップによって生じる瞬時発熱量を初めて測定することに成功した。この実験の理論モデルは、コンスタンツ大学のヴォルフガング・ベルジッヒ教授率いるグループが提供したものです。
この実験は、こうした量子熱力学的な考え方が実際に実現された初めての例となる。この発見は、熱放散の検出と制御がうまくいけば、より安定した、より忠実な量子コンピューターの実現につながる可能性もある。

<関連情報>

ジョセフソン接合における位相スリップのカロリメトリ Calorimetry of a phase slip in a Josephson junction

E. Gümüş,D. Majidi,D. Nikolić,P. Raif,B. Karimi,J. T. Peltonen,E. Scheer,J. P. Pekola,H. Courtois,W. Belzig & C. B. Winkelmann
Nature Physics  Published:05 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01844-0

Abstract

Josephson junctions are a central element in superconducting quantum technology; in these devices, irreversibility arises from abrupt slips of the quantum phase difference across the junction. This phase slip is often visualized as the tunnelling of a flux quantum in the transverse direction to the superconducting weak link, which produces dissipation. Here we detect the instantaneous heat release caused by a phase slip in a Josephson junction, signalled by an abrupt increase in the local electronic temperature in the weak link and subsequent relaxation back to equilibrium. Beyond the advance in experimental quantum thermodynamics of observing heat in an elementary quantum process, our approach could allow experimentally investigating the ubiquity of dissipation in quantum devices, particularly in superconducting quantum sensors and qubits.

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