新しい機器で超電流の流れを測定、データは量子コンピューティングに応用可能 • ニュースサービス • アイオワ州立大学

2022年12月2日午前12時投稿

Jigang Wang 氏と極低温磁気テラヘルツ走査近接場光学顕微鏡 (略して cm-SNOM です。) この機器は、空間、時間、エネルギーの極端なスケールで動作します。 その性能は、量子コンピューティングの中心となる超伝導量子ビットの最適化に向けた一歩となります。 拡大写真。 写真：クリストファー・ガノン/アイオワ州立大学。

アイオワ州アメス – Jigang Wang は、研究者が量子コンピューティングの内部構造を理解し、最終的に開発するのに役立つ新しい種類の顕微鏡の簡単な説明を提供しました。

アイオワ州立大学の物理学と天文学の教授で、米国エネルギー省のエイムズ国立研究所にも所属するワン氏は、この装置が10億分の1メートル、10億分の1秒、そして何兆分の1メートルといった極端な空間、時間、エネルギーのスケールでどのように機能するかを説明した。 1秒あたりの電磁波の数。

ワン氏は、制御システム、レーザー光源、毎秒数兆サイクルでパルスする光の光路を作るミラーの迷路、サンプル空間を取り囲む超電導磁石、特注の原子間力顕微鏡、明るい黄色のクライオスタットは、サンプルの温度を液体ヘリウムの温度、華氏約 -450 度まで下げます。

鏡の迷路が光路を作り出します。

ワンはこの装置を極低温磁気テラヘルツ走査近接場光学顕微鏡と呼んでいます。 (略して cm-SNOM です。) それは、アイオワ州立キャンパスのすぐ北西にあるエイムズ国立研究所の高感度機器施設に拠点を置いています。

この装置の製作には、5 年の歳月と 200 万ドル (ロサンゼルスの WM ケック財団 (下記参照) から 130 万ドル、アイオワ州立およびエイムズ国立研究所から 70 万ドル) がかかりました。 データを収集し、実験に貢献してから 1 年足らずです。

「誰もそれを持っていません」とワン氏は超大型ナノスコープについて語った。 「それは世界初です。」

液体ヘリウム温度以下、強いテスラ磁場の中で動作しながら、約20ナノメートル、つまり1メートルの200億分の2まで焦点を合わせることができる。 これは、このような極限環境における材料の超電導特性を読み取るのに十分な量です。

超伝導体は、一般に非常に低い温度で、抵抗や熱を伴わずに電気 (電子) を伝導する材料です。 超電導材料には、MRI スキャンなどの医療用途や、大型ハドロン衝突型加速器などの加速器の周りを高速で移動する荷電亜原子粒子の磁気レーストラックなど、多くの用途があります。

現在、超伝導材料は量子コンピューティング、つまり量子の世界の原子および亜原子スケールの力学とエネルギーに基づく新世代のコンピューティング能力に使用されることが検討されています。 超伝導量子ビット (量子ビット) は、新しいテクノロジーの中心です。 量子ビット内の超電流の流れを制御する 1 つの戦略は、強力な光波パルスを使用することです。

「超電導技術は量子コンピューティングの主要な焦点である」と王氏は語った。 「したがって、私たちは超伝導とそれが光でどのように制御されるかを理解し、特徴付ける必要があります。」

それが cm-SNOM 装置が行っていることです。 Nature Physics 誌に掲載されたばかりの研究論文と、arXiv Web サイトに掲載されたプレプリント論文 (補足参照) で説明されているように、Wang 氏と研究者チームは、鉄系超伝導体における超電流の流れのテラヘルツでの最初のアンサンブル平均測定を行っています。 （毎秒数兆波）エネルギースケールと、高温の銅ベースの銅酸化物超伝導体におけるテラヘルツ超電流トンネリングを検出するための最初のcm-SNOMアクション。

「これは、光波パルス下での超伝導の応答を測定する新しい方法です」とWang氏は述べた。 「私たちはツールを使用して、テラヘルツサイクル中のナノメートル長スケールでのこの量子状態の新しいビューを提供しています。」

アラバマ大学バーミンガム校教授兼物理学長のイリアス・ペラキス氏は、このプロジェクトの共同研究者であり、光制御超伝導の理論的理解を進めてきた人物で、「新しい実験データセットを分析することで、高度な断層撮影法を開発できる」と述べた。光によって制御される超伝導体の量子もつれ状態を観察します。」

研究者の論文は、「これらの超電流を駆動することができる相互作用は、測定が不足していることもあり、まだよく理解されていない」と報告している。

これらの測定がアンサンブルレベルで行われている現在、Wang 氏は、cm-SNOM を使用してナノメートルとテラヘルツの同時スケールで超電流の存在を測定するという次のステップを見据えています。 イリノイ州にある米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所が率いる超伝導量子材料・システムセンターの支援を受けて、彼のグループは新しい装置をさらに正確にする方法を模索している。 単一のジョセフソン接合における超電流トンネリング、つまり 2 つの超伝導体を隔てる障壁を横切る電子の動きを視覚化する精度まで測定できるでしょうか?

「量子コンピュータの量子ビットの最適化に影響を与えるには、実際にそのレベルまで測定する必要がある」と同氏は述べた。 「それは大きな目標です。そして、これはその方向に向けた小さな一歩にすぎません。一度に一歩ずつです。」

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WMケック財団について

WM ケック財団は、スペリア オイル カンパニーの創設者ウィリアム マイロン ケックによって 1954 年にロサンゼルスに設立されました。 国内最大の慈善団体の 1 つである WM Keck Foundation は、優れた科学、工学、医学研究を支援しています。 この財団は学部教育も支援し、南カリフォルニア内で芸術と文化、教育、健康、社会奉仕プロジェクトを支援するプログラムを維持しています。

Jigang Wang、物理学および天文学、エイムズ国立研究所、515-294-5630、[email protected]

Mike Krapfl、ニュース サービス、515-294-4917、[email protected]

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Jigang Wang の超大型ナノスコープは、毎秒数兆サイクルの光パルスが物質内の超電流をどのように制御できるかについてのデータを収集し始めています。 この機器は、いつか、新しく開発中の技術である量子コンピューティングの中心である超伝導量子ビットの最適化に役立つ可能性があります。

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「光制御超伝導の量子コヒーレンス・トモグラフィー」、Nature Physics、2022 年 12 月 5 日

「極低温磁気テラヘルツ走査近接場光学顕微鏡 (cm-SNOM)」、arXiv、2022 年 10 月 13 日

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対応する著者：ワン・ジガン、アイオワ州立大学およびエイムズ国立研究所

最初の著者:梁羅、アイオワ州立およびエイムズ国立研究所。マーティン・ムーツ、アイオワ州立およびエイムズ国立研究所の出身で、以前はアラバマ大学バーミンガム校に所属していた。カン・ジョンフン、元ウィスコンシン大学マディソン校、現在は韓国の浦項科学技術大学

共著者:ホアン・チュアンクン、アイオワ州立およびエイムズ国立研究所。チラグ・バスワニ、以前はアイオワ州立およびエイムズ国立研究所に所属し、現在はニューヨークのコーネル大学に所属しています。ギテオム、ウィスコンシン州。イ・ジョンウ、ウィスコンシン州。イェスーサ・コランテス ; フロリダ州立大学;エリック・ヘルストロム、フロリダ州。イリアス・ペラキス 、アラバマ州バーミンガム。 そしてチャン・ボムオム、ウィスコンシン州

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ジガン・ワン氏（左）と彼のチーム、リチャード・H・J・キム氏、サミュエル・ハウザー氏、ジュンモク・パーク氏。エイムズ国立研究所の高感度機器施設の研究室にて。 拡大写真。

cm-SNOM 操作:リチャード・H・J・キム、パク・ジュンモク、サミュエル・J・ハウザー、梁羅そしてワン・ジガン、アイオワ州立およびエイムズ国立研究所