研究者らは、新しいダイヤモンド伸長技術のおかげで量子通信にブレークスルーを達成したと主張しており、この技術により、量子ビットがもつれを維持できる温度が大幅に上昇し、同時にマイクロ波による制御も可能になるという。量子ネットワーキングは、エキゾチックな量子現象を利用して情報を送受信する新興分野です。これらのネットワークはハッキングが不可能であり、量子もつれを利用して長距離をカバーし、物理的な接続なしで互いの量子状態をマッピングする量子ビットのペアを作成します。
ダイヤモンドベースの量子ビットは、絡み合った状態を長期間維持することができますが、それは絶対零度よりわずかに高い温度に保たれた場合に限られます。これは、量子ネットワークのすべてのノードに巨大でエネルギーを大量に消費する冷却装置を設置することを意味するため、その有用性が制限されます。
しかし、シカゴ大学、アルゴンヌ国立研究所、ケンブリッジ大学の研究者らは、ダイヤモンドを引き伸ばして分子格子を変化させることで画期的な解決策を発見したと述べている。
研究チームは熱いガラスの上にダイヤモンドの薄い膜を敷きました。ガラスは冷えると収縮しますが、ダイヤモンドよりも小さく、分子レベルで伸びる力が生じます。研究チームによると、ダイヤモンドの構造の変化は「最小限」だったが、その影響は大きかったという。
これらの引き伸ばされたダイヤモンド量子ビットが絡み合ったままになる温度は、絶対零度以上から 4 ケルビン (-452°F、-269°C) まで上昇します。明らかに、これはまだ非常に低い温度ですが、1 ケルビンを下回るよりも 4 ケルビンに到達する方がはるかに簡単です。関連する機器ははるかに安価で、よりコンパクトです。
プリツカー分子工学大学院の助教授アレックス・ハイ氏は、「インフラストラクチャーと運営コストの点では、これは桁違いだ」と語る。 「このテクノロジーは、これらのシステムの動作温度を大幅に上昇させることができ、それによってこれらのシステムを実行する際のリソース集約度を大幅に削減できます。」
「今日、ほとんどの量子ビットには、部屋ほどの大きさの特別な冷蔵庫と、それを実行するための高度な訓練を受けたチームが必要です」とハイ氏は述べた。 「したがって、5 キロメートルまたは 10 キロメートル（3 マイルまたは 6 マイル）ごとに量子ビットを構築する必要がある産業用量子ネットワークを想像すると、かなりの量のインフラストラクチャと労力が必要になることになります。」
また、引き伸ばされたダイヤモンド構造はノイズを低減し、システムを通過する情報の忠実度を 99% 向上させます。これは、これらの量子ビットはマイクロ波で制御できるためです。一方、以前のバージョンではスペクトル内の光が必要であり、これによりかなりの誤差が生じていました。
「通常、システムのコヒーレンス寿命が長いのは、そのシステムが外部干渉を『無視』するのが得意だからです。つまり、干渉に抵抗しているため制御が難しくなります」と博士課程の学生で論文の筆頭著者であるXinghan Guo氏は述べた。 「材料科学における非常に根本的なイノベーションを通じて、この難問を解決できることは非常に興味深いことです。」
ケンブリッジ大学の物理学教授でこの研究の共著者であるメテ・アタチュア氏は、「延長されたコヒーレンス時間と実現可能なマイクロ波量子制御の組み合わせを通じて、ダイヤモンドベースの量子ネットワークデバイス用のスズ空孔中心を開発する道は明らかである」と付け加えた。
この論文はジャーナル「Physical Review X」に掲載されました。