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シリコン量子ドット構造で超高精度量子ビットを実現 ~産業集積化に適したシリコン量子コンピューター開発を加速~

 国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST),同 理化学研究所,東京大学,東京工業大学,および慶應義塾大学は共同で2017年12月19日,JST戦略的創造研究推進事業において,樽茶 清悟 理化学研究所 グループディレクター/東京大学大学院工学系研究科 教授らの研究グループが,シリコン(Si)量子ドットにおいて世界最高水準の演算精度をもつ電子スピン量子ビット素子を開発したと発表した.本成果は,英国ネイチャー出版社が発行する国際科学誌Nature Nanotechnologyにオンライン掲載された(注).

 量子コンピューターは次世代の超並列計算コンピューターとして,世界的に開発競争が激化している.量子コンピューターでは,情報処理の単位である量子ビットに量子力学的な状態を対応させて情報を符号化する.量子ビットの実装素子としては,超伝導回路や光子などを用いた各種の研究が進められているが,なかでもSi量子ドット中の電子スピンは集積化の観点から有望視されている.量子ビット演算では誤り率は1%よりはるかに低いことが必要だが,このための量子ビット演算速度と情報保持時間の両方を高い水準で両立した例はなく,重要な課題となっていた.

 この課題に対して本研究グループは,歪みSi基板中に量子ドットを形成し,数十nmの領域に閉じ込められた単一の電子スピンを量子ビットとして用いた.量子ドットの直上に微小磁石を配置し,電子スピンに対して不均一磁場を印加し,不均一磁場中で電子の位置をnm程度マイクロ波で変調することで,量子ビット演算に特徴的なラビ振動を観測した.これにより,通常の磁気的操作に比べて約100倍高速な(30MHz)単一電子スピン演算が実現されることを確認した.

 さらに量子ドットの周りの材料から,通常のSiで主な雑音源となる核スピンを有する同位体(29Si)を取り除いた同位体制御Si(28Si)を使用することで,通常に比べて1桁程度長い20µsの量子情報保持時間を観測した.通常に比べて約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たことで,従来の量子演算の誤り率の最高値を約1桁低減したことを,量子演算の正確性(>99.9%)の検証により明らかにした.このとき量子ビットの量子情報を喪失させる雑音源は1/fのスペクトルをもつ電荷雑音であり,高速スピン操作により電荷雑音の影響を部分的に相殺することで,3msまでの量子メモリー時間を実現した.

 本研究成果は,産業集積化に適したSiナノ構造における超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,Si量子ドットにおいて初めて,超伝導量子ビットと同程度の単一量子演算を可能とした.今後,これを用いたSi量子コンピューター開発が加速されるとしている.

(注)J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh & S. Tarucha, "A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9 %", Nature Nanotechnology (2017), doi: 10.1038/s41565-017-0014-x; Published online: 18 December 2017