국립 고급 산업 과학 기술 연구소 (Nomaguchi ARI의 회장) (이하 "AIST"라고 불리는) 나노 기술 연구 부서 [연구 부서 미나미 신지 (Minami Shinji)] 카와 바타 시로 (Kawabata Shiro), 나노 구조 부동산 이론 그룹의 최고 연구원강자성 절연체고온 라이브 바카라도기Josephson Junction 요소(그림 1), 강자성 층의 두께가 한 번에 하나의 원자 층이 변경되면, 접합 요소의 두 대량의 양자 상태 (0 정션 및 π 접합부)가 시뮬레이션을 통해 번갈아 나타나는 현상은 시뮬레이션을 통해 발견됩니다 기본 과학에서 장치의 거시적 특성이 원자 층의 두께의 단일 층만으로 극적으로 변화한다는 것은 흥미로운 발견입니다 이러한 발견을 통해, 전체 라이브 바카라도 요소의 거시적 특성은 자기 재료의 두께에 의해 제어 될 수 있다고 예측된다 이 장치를 적용하면 외부 노이즈가 강력합니다양자 비트, more양자 컴퓨터미래에 실현 될 것입니다
양자 컴퓨터는 최근 몇 년 동안 기존 컴퓨터의 기능을 훨씬 능가하는 병렬 컴퓨팅을 실현할 것으로 예상되므로 많은 관심을 끌고 있습니다 이것을 달성하기 위해양자 일관성를 억제하는 요인입니다 이번에 발견 한 현상을 적용함으로써 외부 노이즈의 영향을받지 않고 고온에서 작동 할 수있는 큐 비트를 실현할 수있을 것으로 예상됩니다 이러한 큐브는 양자 컴퓨터의 실제 적용으로가는 길을 열어줍니다 또한, 매우 민감한 자기 센서 및 양자 전압 표준화기의 연구 및 개발이 가속화 될 것으로 예상됩니다
이 연구는 연구 주제 "라이브 바카라도 소설 애플리케이션을위한 다중 규모의 다중 상수 시뮬레이션을위한 기초 구축"(Machida Masahiko 교장 Machida Masahiko)의 "Multi-Scale Motoki의 Promitic Research Promition Promition Promition Promition Promition Promition Procition의 통합 시뮬레이션"의 연구 주제의 일부로 수행되었습니다 (CREST) "다중 스케일 다상 현상의 통합 시뮬레이션"(Motoki Yagawa 연구 책임자)
이 연구 결과는 미국 물리학 아카데미의 과학 저널 (Scientific Journal)에서 나온 것입니다물리 검토 편지디지털 버전에 게시 됨
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그림 1 : 강자성 절연체 및 큐 비트를 사용한 라이브 바카라도 조셉슨 교차점의 개념적 다이어그램
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양자 역학의 원리에 기초한 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 능가하는 고속 컴퓨팅 전력을 가질뿐만 아니라 전력 소비가 매우 낮으므로이를 실현하기 위해 글로벌 규모로 연구가 수행되고 있습니다 또한,이 재료의 구성 요소 인 큐 비트에 관한 다양한 접근법에서 연구가 수행되고 있습니다
양자 컴퓨터는 계산 중에 양자 일관성을 유지해야합니다 따라서 양자 일관성을 억제하는 외부 노이즈의 영향을 제거하는 방법이 핵심입니다 양자 오류 수정과 같은 소프트웨어와 같은 오류 수정 기술이 지금까지 개발되었습니다 그러나 이러한 이전 예술은 복잡한 제조 및 계산 프로세스의 문제를 남겼습니다 계산에 사용되는 큐 비트의 5 배인 중복 큐 비트를 추가해야합니다 외부 소음에 덜 취약한 강력한 큐브를 실현하려는 강한 욕구가 있습니다
AIST는 전 세계의 실험 및 이론적 연구 그룹을 통해 연구 및 개발을 수행하여 고온 라이브 바카라도 제 조셉슨 접합 요소와 자성 몸체가 양자 컴퓨터에 샌드위치 된 조셉슨 접합 요소를 적용하고 있습니다 또한, Josephson Junction 요소의 특성을 분석하기 위해 시뮬레이션 방법이 개발되었습니다
이번에는 지금까지 개발 된 시뮬레이션 방법을 사용하여 Hokkaido University, Kashiwatani Satoshi 강사, Kashiwatani Satoshi 강사, Kashiwatani Satoshi, 전자 연구 부서, AIST, Tanaka Yukio, Materials University의 부교수, Nagoya University, Nagoya University, Nagoya University, Nagoya University 부교수, AIST, 전자 연구 부서, Hokkaido University, Kashiwatani Satoshi 강사, Asano Yasuhiro를 사용할 것입니다TwenteUniversity 저온 물리학 부서Alexander A Golubov우리는 강자성 절연체와 함께 조셉슨 접합 요소의 특성을 공동으로 분석 하여이 결과를 얻었습니다
1970 년대 후반 이후 π 접합은 철과 같은 강자성 금속을 포함하는 조셉슨 접합 요소에 나타난 것으로 알려져 있습니다 이번에는 강자성 절연체가있는 조셉슨 접합 요소의 특성을 분석 하였다 우리는 지금까지 우리 자신의 특성을 개발했습니다이산 격자 모델(타이트 바인딩 모델)를 기반으로 한 시뮬레이션 방법이 사용되었습니다 이 기술에서,도 1에 도시 된 바와 같이 격자 모델의 전자 상태를 설명하는 불연속 슈뢰딩거 방정식 2는 장치를 통해 흐르는 Josephson 전류를 시뮬레이션하기 위해 해결되었습니다 이 기술의 특징 중 하나는 다재다능하고 요소 모양 또는 다양한 자기 및 라이브 바카라도 재료를 처리 할 수 있다는 것입니다 따라서 현실적인 모델을 기반으로 시뮬레이션을 수행 할 수 있습니다
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그림 2 : 조셉슨 전류의 컴퓨터 시뮬레이션에 사용되는 이산 격자 모델
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그림 3은 원자 층 수준에서 강자성 절연체의 두께가 변경 될 때를 보여줍니다Josephson Critical Current의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다 (그림 3의 세로 축은 두께가 하나의 원자 층 일 때 전류 값에 대한 전류의 절대 값을 보여 주지만 빨간색 원은 음수 값을 나타내고 파란색 원은 양수 값을 나타냅니다)
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그림 3 시뮬레이션 결과 강자성 층의 두께가 하나의 원자 층에 의해 변경되면 (음성 Josephson Critical Current) 및 0-Junction (양의 조셉슨 임계 전류)이 교대로 나타나는 것으로 나타났습니다 (수직 축이 조셉슨 임계 전류의 값이 될 때, 현재의 값과 관련이있을 때, 현재의 가치가 상류의 가치가 될 때, 층) 이 결과는 하나의 원자 층의 두께의 약간의 차이가 거시적 상태 (예 : 스탠딩 고양이 및 팁 된 고양이와 같은)의 극적인 변화를 초래한다는 것을 의미합니다
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강자성 절연체 필름 두께가 2, 4, 6 및 8 원자 층일 때, Josephson 임계 전류는 양수, 즉 0 정션으로 예측된다 절연체 두께가 1, 3, 5 및 7 개의 원자 층일 때, 조셉슨 임계 전류는 음수가되어 π 접합을 초래한다는 점은 주목할 가치가 있습니다 이는 강자성 절연체 사이에 샌드위치 된 Josephson Junction 요소에서 π 접합이 드러난 것은 이번이 처음입니다 더 흥미로운 점은 강자성 층의 두께가 하나의 원자 층에 의해 변경 될 때 0 개의 접합 및 π 접합이 교대로 나타나는 새로운 현상이 예측되었다는 것입니다 이는 하나의 원자 층을 추가 또는 제거하는 가장 작은 변화 (국소 변화)가 라이브 바카라도 장치 전체에 퍼져있는 거시적 양자 특성을 제어하기 위해 제어 될 수 있음을 의미하며, 이는 기본 과학적 관점에서 매우 혁신적인 성과라고 할 수 있습니다
반면에, 적용의 관점에서 양자 컴퓨터에 이르기까지, 강자성 절연체 π 접합은 이상적인 큐 비트의 실현을 초래한다 도 1에 도시 된 바와 같이 π 접합을 함유하는 라이브 바카라도 링이있을 때 도 4는 외부 자기장을 적용하지 않고 0과 1의 중첩이 자발적으로 실현되는 큐 비트이다 유사한 라이브 바카라도 링은 정상 0 정션을 사용하여 구성되었습니다라이브 바카라도 플럭스 양자 비트Qubit에 필요한 중첩 상태를 형성하려면 외부 자기장을 적용해야합니다 그러나, 노이즈가 적용된 자기장에 포함되어 큐 비트의 양자 일관성을 파괴하는 문제를 일으킨다 π 접합부를 갖는 라이브 바카라도 링을 구성함으로써 외부 자기장을 적용 할 필요가 없기 때문에 외부 노이즈의 영향을받지 않는 큐 비트를 실현할 수 있습니다 또한, 외부 노이즈에 영향을 미치지 않는 Qbits는 강자성 절연체 대신 강자성 금속을 사용하는 π 접합부에서도 실현 될 수 있지만, 강자성 금속 층은 양자 일관성이 손상된다는 점에서 심각한 결함을 가지고 있습니다 따라서, 강자성 금속을 사용하여 큐 비트를 실현하는 것은 어렵다 대조적으로, 강자성 절연체의 경우, 열 전자 여기에 문제가 없으며 이상적인 큐 비트를 실현할 수 있습니다
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그림 4 : 라이브 바카라도 링을 사용한 π- 접합 큐 비트 S는 라이브 바카라도체를 나타내고 Fi는 강자성 절연체를 나타냅니다 자기장을 적용하지 않아도 큐 비트 (0 및 1의 중첩 상태)가 자발적으로 형성되므로 자기장과 관련된 외부 노이즈의 영향을받지 않습니다 여기서, 상태 0 및 1은 고리를 침투하는 자기 플럭스가 각각 상향 및 아래쪽을 향한 상태에 해당한다
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또한, 우리는 또한 고온 라이브 바카라도체와 원자 규모의 적층 구조를 생성 할 수있는 강혈 산화물 절연체를 사용하여 3D Josephson Junction 요소 (도 1)에서 시뮬레이션을 수행했으며, atomic 스케일에서 페로이 머니 절연기의 두께를 변화시킴으로써 0 개의 접합 및 π 접합이 대체 적으로 나타나는 것으로 확인되었다 이것은 기존의 라이브 바카라도 큐 비트 (1K 이상)보다 1 ~ 2 배 높은 온도에서 작동 할 수있는 큐 비트를 생성 할 것으로 예상되며, 양자 컴퓨터의 실제 적용을 향한 경로를 제공합니다
앞으로, 우리는 Josephson Junction 요소 구조에 불완전한 영향을 통합하고보다 현실적인 시뮬레이션을 수행하여 장치 특성을 최적화 할 것입니다 또한이 회사는 일본 및 해외에서 대학 및 연구 기관의 실험 그룹과 협력하여 큐빗을 실현하는 것을 목표로합니다 또한 연구는 매우 민감한 자기 센서 및 양자 전압 표준화기에 적용되는 것을 목표로합니다