超伝導渦状態の量子コヒーレントな操作と読み出し

量子情報を格納する新しい方法

量子コンピュータは現代の機械をはるかに超える問題を解く可能性を秘めていますが、その基本要素であるキュービットは壊れやすく、設計が難しい。この研究は、超伝導材料自身の中に隠れていた予想外の新しい種類のキュービットを明らかにします。渦と呼ばれる小さな磁場の渦巻きが、驚くほど長い時間にわたり静かに量子情報を保持できるのです。かつては邪魔者と見なされていたものを有用な資源に転換することは、より単純で堅牢な量子技術への新たな道を開く可能性があります。

超伝導体が磁場をこっそり許すとき

超伝導体は内部から磁場を押し出すことで知られており、これはMRI装置や高感度検出器など多くの技術の基礎になっています。しかし、印加磁場が十分に強くなると、磁場は渦と呼ばれる糸状の束となって超伝導体を貫くことがあります。通常の材料では、各渦の中心は通常の金属のように振る舞い、渦が動くたびに摩擦とエネルギー損失を引き起こします。そのため渦は長い間、超伝導デバイスや量子ビットの性能を低下させる厄介者と見なされてきました。ここでの重要なひねりは、多くの微細なアルミ粒子が薄い絶縁バリアによって隔てられた強く無秩序なグラニュラー超伝導体では、渦の内部が「ギャップを持つ」ままになりやすく、エネルギーを容易に散逸しないという点です。こうした条件下では、渦は古典的な物体のように振る舞うのをやめ、完全に量子的な挙動を示し始める可能性があります。

渦を量子二準位系に変える

研究者たちはグラニュラーアルミニウムから細長いマイクロ波共振器を作製し、絶対零度に数千分の一ほどの温度まで冷却してから小さな磁場を印加して冷却を続けました。この手順によりデバイス内の特定の位置に渦が閉じ込められます。続いて磁場を掃引しながら共振器のマイクロ波応答を調べると、共振器が渦の存在に結びついた明瞭で調整可能な二準位系—基本状態と励起状態だけを持つ量子的な対象—と強く結合していることを示すはっきりした痕跡が観測されました。研究者らは短いマイクロ波パルスでこの二状態間の遷移を駆動でき、従来の超伝導キュービットと同様に操作できました。また、状態を破壊せずに読み出す量子非破壊測定の方法で状態を読み取ることもできました。

長寿命の量子渦

時間分解測定により、これらの渦に基づく状態はエネルギーを数百マイクロ秒にわたって保持することが明らかになり、今日の先端実験で用いられる精巧に設計された一部のキュービットの寿命に匹敵しました。量子的重ね合わせを可能にする位相コヒーレンスはマイクロ秒単位続き、環境の緩やかな変動を打ち消すエコー技術によって延長できました。多数の冷却サイクルにわたる統計的研究は、これらの「渦キュービット」が数時間から数週間にわたって安定であることを示しましたが、微視的な配置は冷却ごとに変わり得るため、グラニュラーな地形における渦の配列が変化することを反映しています。

トラップの景観と量子トンネリング

渦がどのようにして量子二準位系として振る舞えるかを説明するため、著者らは狭い超伝導ストリップ内部で渦が経験するエネルギー地形をモデル化しました。膜がグラニュラーで無秩序であるため、渦を局所的に捕える多くの小さな「ピニング」サイトが存在します。磁場を調整すると、これらトラップの相対的な深さが変化し、実質的に二重井戸ポテンシャルが生じます：障壁で隔てられた近接する二つの低エネルギー位置です。特別な“スイートスポット”となる磁場付近では、二つの井戸のエネルギーがほぼ等しくなり、渦は古典的に跳ぶのではなく量子的にトンネルすることができます。その領域では渦はもはや片側に閉じ込められず、代わりに両方のトラップに同時にある状態の重ね合わせとして存在し、共振器と結合する二準位系を形成します。

望ましくない欠陥から有用な量子ツールへ

グラニュラー超伝導体に閉じ込められた渦が制御可能で長寿命の量子ビットとして振る舞えることを示すことにより、この研究は超伝導デバイスの長年の欠点を機会へと転換します。もし基本的な図式—無秩序で接合状のネットワーク内で近接するピニングサイト間を渦がトンネルするという考え—が今後のイメージングや分光実験で確認されれば、同様の渦ベースのキュービットは幅広い材料で実現され得ます。これらの状態は超伝導体の構造から直接生じるため、微視的な無秩序の内部を探る組み込みプローブとして、また新しい渦ベースの量子情報処理や超高感度センシングの素子として役立つ可能性があります。

引用: Nambisan, A., Günzler, S., Rieger, D. et al. Quantum coherent manipulation and readout of superconducting vortex states. Nature 653, 63–67 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10441-7

キーワード: 超伝導キュービット, グラニュラーアルミニウム, 磁気渦, 量子コヒーレンス, 量子材料