ナノ規模装置の欠陥を量子計算に利用する

「この研究の性質上、今回の研究成果が、メゾスコピックデバイスの電荷ノイズ効果のさらなる理解と、半導体ベースの量子情報処理の重要分野での新技術を開発するための新たな研究を可能にする、凝縮系物理学において相関性の有る電子ガラス力学分野に寄与することが期待されています。」ということみたいなので、今回の研究はmesoscopic(ナノとマイクロの中間)の電子機器に量子効果を与える事に貢献できるようです。

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ランダム・テレグラフ・ノイズ

Exploring defects in nanoscale devices for possible quantum computing applications

Defect states acting as electron traps in oxide-semiconductor interfaces usually are sources of noise and tend to reduce the performance of nanoscale devices. Such defect states can modify the electrostatic environment experienced by conducting electrons, forcing them to percolate through nanowire-like pathways at low enough temperatures. This effectively allows a detection mechanism of the occupation of such trap sites by the current measured in the conduction channel. Such effect is normally observed as random telegraph noise (RTN), which corresponds to the incoherent emission and capture of electrons in the trap states, mediated by the thermal background.

「酸化物半導体インターフェースで電子トラップの役目を果たしている欠陥状態は、ノイズ源でありナノスケールデバイスの性能を低める傾向があります。そのような欠陥状態は、電子を電導することで起こる静電気環境を、十分低い温度でナノワイヤ様の経路を通過させて、修正することができます。こうする事で、伝導チャネルで測定された電流によって、上述のトラップサイトの(電子)占有の検出機構を可能にしています。そのような影響は通常、熱背景によってもたらされる、トラップ状態での、電子のインコヒーレントな放出と捕獲に一致する、ランダム・テレグラフ・ノイズとして観測されます。」

RTN'(ランダム・テレグラフ・ノイズ)は、微細化に伴う障害らしいです。

IBM ランダムテレグラフノイズによるしきい値電圧ばらつきの影響を確認

トランジスタを構成するゲート絶縁膜に存在する原子レベルの構造欠陥に電子が捕獲または放出されるのに連動して、トランジスタを動作させるのに必要なしきい値電圧が時間的に上下に変動するというものです。

つまり、トランジスタの構造上欠陥が、電子をトラップしたり、それを放出したりする時に生じるノイズという事のようです。

Motivated by the big changes in the conductivity caused by RTN in field-effect transistors (FET), scientists at the Quantum Nanoelectronics Research Center, Institute of Innovative Research (Tokyo Tech), the Center for Advanced Photonics and Electronics (University of Cambridge), and Cavendish Laboratory (University of Cambridge) investigated possible mechanisms in which the occupation of defects states could be both observed and dynamically mediated by means of coherent microwave fields.

「電界効果トランジスタ内のRTNに起因する伝導率の大きな変化が動機となり、各国の大学や企業の研究者集団が、コヒーレントなマイクロ波場を用いて、欠陥状態占有の観測と動的調停の双方を可能にする有力なメカニズムを調査しました。」

トラップ状態

Working at cryogenic temperatures, it was found that the dynamics of such trap states are consistent with two-level systems (TLS), in which the energy levels are discrete and only the two lowest are accessible within the energy of the excitation signal. A TLS can represent the basis for a quantum bit implementation.

「極低温環境操作で、前記のトラップ状態の力学が、エネルギー準位が不連続で、下位2エネルギー準位だけが励磁信号エネルギー範囲内でアクセス可能な、二準位系と一致している事を発見しました。TLSは量子ビット実装の基盤になり得ます。」

From the microwave spectroscopic signature of the response of the FET used in this work, displaying a great number of high-quality factor resonances (Q > 10000), the extracted coherence times observed in this study are considerably longer, by almost three orders of magnitude, than other defect-based implementations of TLS.

「この研究で使われたFETのマイクロ波応答分光指標を見ると、多数の高品質因子応答を見せており、この研究での観測により抽出されたコヒーレンスタイムは、他のTLSの欠陥実装よりも、ほぼ3桁違いの驚くべき長さです。」

3桁違いだと100倍~999倍なので、相当長いです。」

Performing single-pulse experiments gives the possibility to study the dynamics of the trapped electrons, which have been found not to depend on the chemistry of the dielectric used. And using a standard Ramsey protocol, coherent control was achieved. Furthermore, employing an optical master equation that captures the dynamics of the trapped electrons and a physical model based on linear response theory, it was possible to reproduce the experimental behavior observed in the experiments.

「単一パルス実験の実施が、使用された誘電体の化学的性質に依存していない事が判明している、捕獲された電子の動力学を調べることを可能にしています。また、標準的なラムゼイプロトコルを用いることで、コヒーレント制御が達成されました。さらに、トラップ電子の動力学をとらえる光学マスター方程式と線形応答理論に基づく物理モデルの活用が、実験で観測された実験的挙動を再現する事を可能にしました。」

ラムゼープロトコル、ラムジープロトコルは情報がほとんどありませんが、どうやらマイクロ波を使った実験で用いられるプロトコルのようです。光学マスター方程式については、量子光学マスター方程式(quantum optical master equation)のことだと思われますが、これも英語版の説明しかありません。

欠陥状態

Furthermore, it was found that the defect states are relatively well protected against phonons, explaining the long decoherence times measured, and that the main source of back-action could be related to long-range Coulombic interactions with other charges. Finally, since each resonance can be addressed independently in frequency space, the wide distribution of long coherence times observed, and the quasi-uniform density of states measured, it is hoped that this work could motivate the possibility to use such systems as quantum memories or quantum bits in future quantum information processing implementations.

「さらに、欠陥状態は、フォノンに対しては比較的うまく保護されていることが、長いデコヒーレンス時間が観測された事を説明していて、反動のメインソースが、他の電荷との長距離クーロン力相互作用に関係している可能性があることが明かされました。最後に、各々の共鳴を周波数空間で単独で扱うことができるので、長いコヒーレンスタイムの広範な分布の観測と準一様状態密度が測定でき、この研究が、将来の量子情報処理実装において、そのような系を量子メモリか量子ビットとして利用するように動機付けることができることが期待されています。」

まぁ、漠然とし過ぎて何だか良く分かりませんが、あくまでも極低温でのみ機能するということみたいなので、あまり魅力的な技術とはいえないような気もしますが、超伝導キュービット(超伝導量子ビット)の代わりとして、量子コンピュータなんかに使える可能性があるので、そこが魅力的なのかもしれません。

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