ナノテク情報

物性・原理

半導体量子ビットの量子非破壊測定に成功 ~半導体量子コンピュータのエラー訂正回路実装に道筋~

 国立研究開発法人理化学研究所(理研),東京大学,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)とルール大学ボーフム校は2019年4月16日,理研 創発物性科学研究センター量子機能システム研究グループの樽茶清悟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,量子システム理論研究チームのダニエル・ロスチームリーダー(バーゼル大学物理学科教授),ルール大学ボーフム校のアンドレアス・ウィック教授らの国際共同研究グループが,半導体量子ドットデバイスにおいて,電子スピン量子ビットの量子非破壊測定に成功したと発表した.本研究はJST戦略的創造研究推進事業CREST他の支援を受けて行われ,英国の科学誌Nature Nanotechnologyにオンライン掲載された(注).

 既存半導体デバイスの性能向上は限界を迎えつつあり,量子コンピュータの実用化に向けた研究開発が,世界的に加速している.中でも,量子ドット中の電子スピンを用いた半導体量子コンピュータは,既存半導体産業の製造技術が応用でき,大規模化に適する.しかし,量子コンピュータの情報は不純物や熱などの影響を受けて容易に失われ,これが実用化の障害となっている.そこで,量子ビットに発生したエラーを検出して訂正する量子エラー訂正回路を,(1)エラー検出を補助量子ビットで高精度に読み出す,(2)読み出しがデータを保持する量子ビットにエラーを生じさせない(量子非破壊性),ことで実現するアプローチが検討されてきた.しかし,従来の量子ビット読み出し手法では,スピン状態に応じて電子数が変化することを利用しているため,読み出しエラーを低減することは困難で,量子非破壊性に関する実験的検証はなかった.

 共同研究グループは,GaAs/AlGaAsヘテロ接合基板に微細加工して,単一の電子からなる電子スピン量子ビットと二つの電子からなるST(Singlet/Triplet)量子ビットを構成する三重量子ドット作成した.この高速かつ高精度な測定に適したST量子ビットを補助量子ビットとして利用し,電子スピン量子ビットの量子非破壊測定を試みた.先ず電子スピン量子ビットにマイクロ波を一定時間照射すると,照射時間の長さに応じてスピンが上向きと下向きの状態間を周期的に振動し,任意の量子ビット状態が準備される.次に,電子スピン量子ビットを補助量子ビットと一定時間結合させ,量子力学的な相関を持たせる.その後,補助量子ビットを測定すると,補助量子ビットが上向きなら電子スピン量子ビットも上向き,補助量子ビットが下向きなら電子スピン量子ビットも下向きであるというように,電子スピン量子ビットの状態を直接測定することなく知ることができた.これは,電子スピン量子ビットの向きを測定する行為によって量子ビットにエラーを起こすことがない「量子非破壊測定」の実証である.

 本研究で実証した電子スピン量子ビットの量子非破壊測定は,量子エラー訂正回路の実装に向けた道筋を示すもので,半導体量子コンピュータの実用化開発を加速させる,としている.

(注)T. Nakajima, A. Noiri, J. Yoneda, M.R. Delbecq, P. Stano, T. Otsuka, K. Takeda, S. Amaha, G. Al-lison, K. Kawasaki, A. Ludwig, A.D. Wieck, D. Loss & S. Tarucha, "Quantum nondemolition measure-ment of an electron spin qubit", Nature Nanotechnology (2019), doi: 10.1038/s41565-019-0426-x; Pub-lished: 15 April 2019