科学技術振興機構(JST)は、JST戦略的創造研究推進事業において、シリコン量子ドットにおいて高い演算精度をもつ電子スピン量子ビット素子の開発に成功したと発表した。
同成果は、理化学研究所(理研)のグループディレクターを務める東京大学大学院工学系研究科の樽茶清悟 教授、理研の米田淳 基礎科学特別研究員、東京工業大学の小寺哲夫 准教授、慶應義塾大学の伊藤公平 教授、名古屋大学の宇佐美徳隆 教授らの研究グループによるもの。詳細は、国際科学誌「Nature Nanotechnology」(オンライン速報版)に掲載された。
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量子ドット素子の概念図。歪みシリコン中の2次元電子ガスに、金属電極に電圧を印加することで、単一の電子を数十ナノメートルの領域に閉じ込めている。制御電圧信号を電極に加えることで、電子スピンを操作する (出所:東京工業大学Webサイト)
量子コンピュータは次世代コンピュータの候補として注目され、その情報を担う量子ビットの開発競争が、超伝導素子を筆頭にさまざまなシステムにおいて世界的に激化している。しかし、半導体素子を用いた量子ビットの実装は産業応用の観点から重要である一方で、量子演算速度と情報保持時間の両立が難しく、高性能化が大きな課題となっていた。
研究グループは今回、慶應義塾大学の伊藤公平 教授と名古屋大学の宇佐美徳隆 教授らが開発した磁気的雑音の少ない同位体制御シリコン基板を用いて量子ドット素子を作製した。これと特殊な形状の微小磁石を用いた高速スピン操作を組み合わせ、従来の量子ビットに比べて約100倍の演算速度と約10倍の情報保持時間を同時に達成し、量子演算の誤り率の最高値を従来値より約1桁減少させることに成功した。
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単一電子スピンのラビ振動。上向きスピン確率を操作時間に対してプロットしたもの。電子スピンを下向きに初期化した後に、スピン反転操作を行うと、操作時間に応じてスピンが下向きと上向きの間を行き来する。この振動をラビ振動と呼び、その周期から量子演算に必要な時間がわかる (出所:東京工業大学Webサイト)
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量子演算の正確性の検証結果。ある集合からランダムに選んだ量子演算を繰り返した後に、演算に誤りがないと仮定した理想的な場合とスピン状態を比較することで、演算の誤り確率を検証した結果。点線で示した従来の量子ビットに比べて減衰が遅く、誤り確率が低くなっていることが分かる (出所:東京工業大学Webサイト)
また、半導体同位体技術を適用したことで、この素子における電子スピンの量子情報喪失は、通常の磁気的雑音ではなく、電荷雑音が支配していることを明らかにした。
研究グループは同成果に関して、産業集積化に適したシリコン・ナノ構造における高性能の電子スピン量子ビットの実装方法を確立するものであると説明しており、今後は、これを用いたシリコン量子コンピュータ開発の加速が見込まれるという。
