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シリコン量子ビットの高温動作に成功 ~大型冷却装置が不要に,センサーなど幅広い量子ビット応用へ~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研)及び,同産業技術総合研究所(産総研)は2019年1月24日,理研開拓研究本部 石橋極微デバイス工学研究室の大野圭司専任研究員,産総研ナノエレクトロニクス研究部門ナノCMOS集積グループの森貴洋主任研究員らの共同研究グループが,シリコン量子ビットを 10K(約-263℃の高温で動作させることに成功したと発表した.本研究は,科学雑誌Scientific Reportsオンライン版に掲載された(注).なお,本研究は,独立行政法人日本学術振興会(JSPS)科学研究費,及び,最先端研究開発支援プログラム(FIRST)による支援を受けた.また,理研-産総研「チャレンジ研究」に採択され支援を受けている.

 電子スピンの向きなどに符号化された情報の最小単位量子ビットは,通常のデジタル回路では情報が「0か1か」の2状態に保持されるのに対し,「0でありかつ1でもある」状態(重ね合わせの状態)を任意の割合で組み合わせて表現することができるので,多数の量子ビットを結合することで量子コンピュータを構築でき,量子ビット単体ではセンサーなどへの応用が期待されている.シリコン(Si)中の電子スピンを用いたSi量子ビットは,既存のSi技術での作製が可能であり,Si集積回路との接続性もよいので注目されている.しかし,これまでの研究では,その動作には0.1K(約-273℃)以下という極低温環境が必要であった.冷却装置価格と設置スペース,さらに装置への試料の出し入れの所要時間などに大きな問題があった.

 共同研究グループは,従来よりも高い温度で動作するシリコン量子ビットを開発することで,上記問題を解決し,今後の研究開発の加速を図ることを考えた.高温で動作する量子ビットには熱エネルギーによる攪乱に負けない,強く局在した電子が必要である.局在した電子を実現するためには,電子を狭い領域に閉じ込める量子ドット構造を用いる方法があるが,現状では加工技術の困難を伴う.そこで,不純物が形成するエネルギー準位を利用し,不純物1個,即ち原子サイズの量子ビット閉じ込めを実現することを考えた.

 熱エネルギー攪乱に負けないためには不純物準位が通常の半導体デバイスのようにバンドエッジに近い(浅い)ところではなく,深い位置(バンドの中央部に近い位置)にある不純物を用いる必要がある。単一元素でない接近した不従物ペアでも深い不純物準位を示すものがあり,そんなアルミ-窒素不純物ペアを用いた.この深い不純物への電子の移行を薄い絶縁膜のトンネル効果で行うことを考えトンネル電界効果トランジスタ素子の構造を採用した.ソース電極はn型,ドレイン電極はp型半導体で,ゲート電極の下のチャネル領域に不純物準位の深い不純物(ターゲット不純物)が注入されている.ソースからトンネル効果で移行したターゲット不純物の電子は一つ別の浅い不純物準位の不純物(遮断機不純物)を経由してドレイン電極に取り出される.この際,ターゲット不純物の電子と遮断機不純物の電子のスピン状態が同じ場合は,パウリの排他律として知られる量子力学的効果により電子は互いに近寄ることができず,異なる場合には遮断機不純物を経由して電子が取り出せる.すなわち,ターゲット不純物の電子状態を電気信号として読み出すことができる.更に,磁気共鳴技術で電子スピン状態操作も行い,量子ビットの動作確認ができた.従来の動作温度(0,1K以下)の100倍以上の10Kまで確認できている.今回の10Kという温度制限は遮断機不純物の準位がまだ浅いことに起因しており,その改善で更なる高温動作が期待される.

(注)Keiji Ono, Takahiro Mori, and Satoshi Moriyama, "High-temperature operation of a silicon qubit", Scientific Reports, Vol. 9, Article number: 469 (2019), DOI: 10.1038/s41598-018-36476-z, Published 24 January 2019.