シリコン内電子スピンの量子非破壊測定に成功

理化学研究所（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米田淳研究員（研究当時）、樽茶清悟グループディレクター、東京工業大学 工学院 電気電子系の小寺哲夫准教授らの共同研究チーム^※は、シリコン中の単一電子スピン^[用語1]の「量子非破壊測定^[用語2]」に成功しました。

本研究成果により、シリコン中の単一電子スピンを用いた量子コンピュータ^[用語3]に不可欠である「量子誤り訂正^[用語4]」の実現が大きく近づくと期待できます。

シリコン中の単一電子スピンは、半導体プロセス技術の応用による集積実用化が見込まれる、量子コンピュータの有力候補です。しかし、単一電子スピンを読み出す際にスピン状態が必要以上に破壊され、量子誤り訂正をはじめとした多くの有用なプロトコルの実行が困難でした。

今回、共同研究チームは、イジング型の相互作用^[用語5] を利用し、隣接電子スピンに情報をうまく転写することで、量子非破壊測定を初めて実証しました。

本研究は、オンライン科学雑誌『Nature Communications』（3月2日付）に掲載されました。

研究支援

本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出（研究総括：荒川泰彦）」の研究課題「スピン量子計算の基盤技術開発（研究代表者：樽茶清悟）」、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金基盤研究S「量子対の空間制御による新規固体電子物性の研究（研究代表者：樽茶清悟）」、文部科学省光量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）基礎基盤研究「シリコン量子ビットによる量子計算機向け大規模集積回路の実現（研究代表者：森貴洋）」による支援を受けて行われました。

背景

半導体デバイスの微細化による性能向上が限界を迎えつつあるなか、量子コンピュータは新しい動作原理に基づく次世代コンピュータとして注目され、世界的に開発競争が活発化しています。とりわけ、シリコン中の単一電子スピンを利用した量子コンピュータは、現行の集積エレクトロニクス技術の応用が見込めるため、大規模化による計算能力向上の観点から注目を集めています。

量子コンピュータ内の情報は、量子力学的な重ね合わせ状態^[用語6]を用いて符号化されます。一般に量子力学的な状態は、「観測」によって影響を受けることが知られています。このため、量子コンピュータの誤りを検出・訂正する際には、観測による変化が測定される量に及ばない「量子非破壊測定」が用いられます。

シリコン中の単一電子スピンは、長い量子情報保持時間と超高精度の量子演算が実証された一方で、「量子誤り訂正」など、測定結果に基づく量子情報処理に必要となる量子非破壊測定は実現していませんでした。

研究手法と成果

シリコン中の単一電子スピンを読み出す手法として、これまでは主に、電子スピンを高速に検出可能な電荷へと変換する方法が用いられてきました。しかしこの方法では、電荷の検出過程で電子スピンが必然的に影響を受けてしまいます。量子非破壊測定は、この問題を解消できる有力な方法ですが、その実現には、スピン状態の自然な緩和を克服する「高速性」と、スピン状態の緩和を誘起しない「非破壊性」の両立が求められます。

そこで共同研究チームは、電子スピンの情報を、電荷としてではなく、いったん別の電子スピンに転写してから読み出すことを試みました（図1）。測定されるスピン量（上向きか下向きか）が転写の際に影響を受けないよう、局所的な磁場を加えることで、電子スピン間にイジング型の相互作用が働くように試料を設計しました（図2）。転写した後に、転写先の電子スピンの向きを従来通り電荷へ変換する方法で読み出すことで、検出速度の高速性と非破壊性を両立させ、シリコン中の単一電子スピンの量子非破壊測定に成功しました。さらに、この手法は補助に同種の量子系を用いているため、拡張性への技術的制約が最小限に抑えられます。

1.  単一の電子スピンを読み出す従来の方法（左）では、読み出しの際に電子スピンが破壊されていた。今回の実験で用いた方法（右）では、イジング型の相互作用を利用して電子スピン（青）の情報を別の電子スピン（赤）へと転写してから読み出すことで、測定の影響が及びにくくしている。

1.  実験には、シリコン中に電子スピンを二つ隣り合わせて、閉じ込められるようにした試料を用いた。電極に電気信号を加えることで、電子スピンを自在に制御できる構造になっている。イジング型の相互作用に必要となる局所的な磁場は、試料上部に微小な磁石を取り付けることで実現している。近傍に配置したトランジスタ構造を電荷検出器として用いることで、補助電子の電荷を高速に読み出すことが可能になっている。

量子非破壊測定には、測定される電子スピンの向きが変わらないという「非破壊性」と、電子スピンの向きの「読み出し」の機能が備わっています。これらを組み合わせることで、電子スピンの向きを確定させる「初期化」を実装することができます（図3）。これら量子非破壊測定の三つの機能が実際にどれくらいの精度で実行できているかを調べたところ、非破壊性が99%、読み出しと初期化が80%であることが分かりました。

1.  理想的な量子非破壊測定では、電子スピンが上向きか下向きかを、測定の前後で変えることなく（非破壊性）、知ることができる（読み出し）。このことは、測定結果から測定後の電子スピンの向きを確定できることを意味している（初期化）。

量子非破壊測定は通常の破壊測定と異なり、単一電子スピンを繰り返し測定することが可能です。この性質を利用することで、読み出しの精度は最大で95%に達することが分かりました（図4）。さらに、観測結果から精度の高い事象を予測する手法を開発し、下向きスピン状態への初期化（向きの確定）の精度を最大99.6%程度まで高められることを示しました。

1.  量子非破壊測定の3機能がどれくらいの精度で実行できているかを評価したもの。非破壊測定を繰り返すことで、読み出しと初期化の精度を高められる。

今後の期待

シリコン中の単一電子スピンは、既に長い量子情報保持時間と超高精度の量子演算が実証されています。本研究で、拡張性への制約が少なく、量子非破壊性をもつ測定が実証されたことで、シリコン量子コンピュータの開発は、量子誤り訂正などの測定結果に基づく量子情報処理を実証する、新たな段階へと進むと期待できます。

• シリコンスピン量子ビットの高速読み出しに成功｜東工大ニュース
• シリコン量子ドット構造で超高精度量子ビットを実現｜東工大ニュース
• 平成30年度「末松賞『ディジタル技術の基礎と展開』支援」採択者決定｜東工大ニュース
• 小寺哲夫准教授が矢崎学術奨励賞を受賞｜東工大ニュース
• 小寺哲夫准教授が安藤博記念学術奨励賞を受賞｜東工大ニュース
• 東工大関係者8名が「科学技術分野の文部科学大臣表彰」を受賞｜東工大ニュース
• 未来のコンピュータが見えてきた 量子コンピュータ開発の“今”と“これから”―工学院 小寺哲夫 准教授｜研究者への第一歩｜大学院で学びたい方
• Tokyo Tech Research Festival ― 未来をともに拓く新進研究者との出会い | 研究ストーリー｜研究
• 小寺研究室
• 研究者詳細情報（STAR Search） - 小寺哲夫 Shunsuke Ono
• 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｜理化学研究所
• 研究成果一覧