石橋研究室 ―研究室紹介 #23―

デバイスグループ
電気電子コース
研究室：理化学研究所・石橋極微デバイス工学研究室（埼玉県和光市広沢2-1）
主任研究員　石橋幸治

ハイブリッド量子プロセッサのイメージを図1に示します。ここでは、ロジック動作を行う超伝導型量子ビット、量子メモリとして働くスピン型量子ビット、さらに、プロセッサ内の量子情報と光子を変換し外部との通信を可能にするインターフェース、そしてこれらを制御する古典的なトランジスタ回路からなります。これを実現するためには様々な物理機能を利用しますが、その一つが量子ビットと共振器の量子的な相互作用です。スピン型の量子ビットでは大きな相互作用を得るために単一スピンと電界の相互作用が必要です。普通、スピンは電界で制御できませんが、そのためにスピン軌道相互作用や2電子系の一重項・3重項状態を使うことを検討しています。図2はコプレーナ導波路型マイクロ波共振器をチップ上に作製し、電界強度が大きくなるところにスピン軌道相互作用が大きなInSb半導体ナノワイアで作った2重結合量子ドットを設置し、量子ドットと共振器の相互作用に関して予備的な実験を行うための試料構造です。測定では極低温に置かれた共振器を透過してくるマイクロ波の強度と位相を測定します。1個の電子が片方のドットに局在した場合（Aの場合）とドット間をトンネルにより行ったり来た入りできる場合（Bの場合）で共振周波数が異なることが分かりました。量子的な相互作用を実現できているのかどうかはまだわかりませんが、このような共振特性の測定から量子ドットの状態を調べる手法は量子ビットの非破壊読出しの観点からも重要です。

単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は1ナノメートル程度の直径を持つことから、これをBuilding Blockとすればリソグラフィーでは実現ができないくらい小さな分子スケールのナノ構造を作製することができます。SWCNTに対してトンネル障壁となるような構造を分子で作ることができれば、半導体ヘテロ構造と同じように1次元的なバンドエンジニアリングが可能です。このような構造は極めて微細であるので大きな量子効果をより高温で発現させることができます。図4はこのような構造の基本ユニットとなる分子でSWCNTをつないだ構造です。ここで分子はトンネル障壁の役割を果たします。図5は3つのSWCNTを分子でつないだ構造です。分子がトンネル障壁として働くことからこの構造は1次元量子ドットとして動作することが期待できます。1本のSWCNTの両端を分子で修飾した構造は分子と結合している化学結合を選ぶことにより単一量子ドットや2重量子ドットを作ることができます。図6は1次元量子ドット内の状態密度を走査トンネル分光（STS）法によって測定した結果です。カルボキシル基を用いて分子を結合した場合には調和振動子のような閉じ込めポテンシャルを持つ単一量子ドットが形成できます。また、この量子ドットからは励起子発光が観測されています。この発光は光通信波長帯でおこり、量子通信に必要な単一光子発生への応用が期待できます。また、1次元量子ドットで生成される励起子の物性や制御にも興味があります。

（左）図4.分子との化学結合をもちいて2つのカーボンナノチューブをつないだ構造の走査トンネル顕微鏡像
（右）図5.3つのカーボンナノチューブを分子でつないだ1次元量子構造