(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ＥＳＲ信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２】
半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ＥＳＲ信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、シリコンとシリコンゲルマニウムとのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３】
請求項１記載の量子ドットを用いた電子装置において、２重ヘテロ構造間に前記２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板の前記２次元電子ガス層を幾何学的に切り出し、金属電極を周囲に配置した構造からなる縦型量子ドットからなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、１．６ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、１．６ＧＨｚ以上３ＧＨｚ以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項６】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、３ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、３０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項８】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がコバルト又はコバルトを５０％以上含むコバルト合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項９】
請求項８記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１０】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がニッケル又はニッケルを５０％以上含むニッケル合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．１５μｍから３μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１２】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がジスプロシウム又はジスプロシウムを５０％以上含むジスプロシウム合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１４】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が鉄又は鉄を５０％以上含む鉄合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。                                                        
【請求項１６】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がクロム又はクロムを５０％以上含むクロム合金からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１７】
請求項１６記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１８】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が発生する磁場により前記量子ドット面に対する傾斜磁場および平行磁場を発生することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の量子ドットを用いた電子装置において、極低温下で外部強磁場を印加して前記量子ドット中の電子スピンのエネルギー状態を変え、前記平行磁場の作用により前記各量子ドットで独立なエネルギー状態を持つことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２０】
請求項１８記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの近傍に配置された電子を電気的に駆動し、前記傾斜磁場の介在により電子スピン共鳴を実現することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２１】
請求項２０記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子スピン共鳴により、電子スピン状態を上向き、下向きに操作でき、前記電子スピン状態をビットに対応させることで量子ビットを設定することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２２】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記複数個の量子ドットの各々が前記強磁性体微小磁石の作用により異なるエネルギー状態を持つようにしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２３】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに異なった周波数の高周波電場を与えることにより、電子スピン共鳴の原理により独立な電子スピン操作が可能であることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２４】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット中に存在する電子が互いに電子的結合状態を形成することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２５】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子の結合状態を操作し、量子演算を実行することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２６】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石が強磁性体金属か、あるいは酸化物強磁性体金属、超伝導体金属または酸化物超伝導体金属からなることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２７】
請求項１記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が異なることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２８】
請求項２７記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が０．１５μｍから０．５μｍまで変化し、前記強磁性体微小磁石の厚みが０．１μｍであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項２９】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに最隣接の強磁性体微小磁石の厚さを変化させたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３０】
請求項２９記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石の厚みが０．０２５μｍから１μｍまで変化することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３１】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極と前記強磁性体微小磁石との間に誘電体膜を挟み込んだことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３２】
請求項３１記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記誘電体膜が電子ビーム描画レジスト、フォトレジストまたは二酸化ケイ素、シリコンナイトライドであることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３３】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石並びに前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極の大きさを一様に変化させ、印加される電圧の操作の大きさで不変な機能をもたらすようにしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３４】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドットの近傍に制御電極および量子ドット形成電極並びに読み取り用量子ポイントコンタクトゲート電極を配置することにより１次元の量子化された伝導現象を呈する、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３５】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、近隣の量子ドットの電荷数により伝導率を変化させる、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３６】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット間の電子の結合状態や電荷検出を介在させた電子スピン状態の読み取りを行うことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３７】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の近傍に対して漏れ磁場による電子スピン配列を利用した電子スピン分極した電流を注入可能にしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３８】
請求項１又は２記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの電子スピン状態を一意に制御し、フリップフロップ動作が可能にすることを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【請求項３９】
請求項１９記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各電子スピン間の結合状態を制御して量子演算を可能にしたことを特徴とする量子ドットを用いた電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子計算、量子情報処理の実現のための有力候補である複数個の結合した量子ドットを有する電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数個配列した半導体量子ドット構造を用いて、多量子ビットを形成して量子計算を行う方法が考案されている。この半導体量子ドットを用いて多量子ビットを形成するための方法としては、電子スピンを用いる方法が提案されている。強磁場下で電子スピンは本質的な２準位系であり、電子スピン上向き、電子スピン下向きの２状態を１ビット状態に対応させる。また、ビットの操作として電子スピン共鳴 (ＥＳＲ) を利用する方法が提案されている。強磁場下で高周波磁場を照射しＥＳＲ制御で電子スピン状態を確定した後、量子ドット間相互作用を変え量子演算をすることが提唱されている (下記非特許文献１，２及び３参照）。
【０００３】
さらに、半導体量子ドット中の電子スピンのＥＳＲを制御する方法として、量子ドット上に形成されたマイクロコイルにマイクロ波を印加する方法 (下記非特許文献３参照）、あるいは制御電極に直接マイクロ波を印加する方法 (下記非特許文献４，５参照）が提案されている。
半導体量子ドット中の電子スピンのＥＳＲを制御する従来の方法を下記非特許文献３の方法に従って説明する。
【０００４】
図１は従来の量子ドットを用いた電子装置の上面図を示す。図２にはその電子装置の側面概略図を示す。
これらの図に示すように、ガリウムヒ素 (ＧａＡｓ) 結晶基板１１上にアルミニウム・ガリウム・ヒ素（ＡｌＧａＡｓ）結晶層１２をエピタキシャル成長させると、両結晶のヘテロ接合界面に１０ｎｍ程度の厚さの２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）１３が形成される。この２ＤＥＧ層１３はＡｌＧａＡｓエピタキシャル層であるＡｌＧａＡｓ結晶層１２表面より約１００ｎｍの位置にある。ＡｌＧａＡｓ結晶層１２上にはゲート電極２，３，４，５（量子ドット結合制御電極２、右側量子ドット形成電極３、左側量子ドット形成電極４、中央ゲート電極５）が形成される。これらのゲート電極２，３，４，５に負の電圧を印加することにより、ゲート電極２，３，４，５直下より空乏層が伸びる。この空乏層が２ＤＥＧ層１３まで伸び、さらにゲート電極２，３，４，５に印加する負電圧を増大させると、空乏層が到達した部分より２ＤＥＧ層１３は電子キャリアを無くして行く。さらに負印加電圧を増大してゆくと、２ＤＥＧ層１３に電子キャリアが島状（ほぼ円盤状) に取り残される。これが量子ドット８，９である。さらに、半導体結晶基板１上面にカリックスアーレン絶縁膜１４を塗布する。このカリックスアーレン絶縁膜１４上に高周波マイクロコイル３４のパターンを電子ビーム真空蒸着してゲート電極２，３，４，５の表面から９０ｎｍ離れた位置に形成する。ゲート電極２，３，４，５への印加電圧を調整することで、両量子ドット８，９には電子が１個のみ存在するようにすることができる。電子スピンのエネルギー状態を固定するために外部磁場１７を印加する。
【０００５】
当該電子装置を用いて量子ビットを形成するため、まず、全量子ドットの電子スピン情報を初期化（イニシャライズ) した後、ＥＳＲ操作を用いて最初の量子ドットに情報を書き込む（Ａ）。図１，図２に示された高周波マイクロコイル３４に高周波電流を流し、高周波磁場を誘起する。そして、量子ドット８中の電子スピンをＥＳＲ操作する。このＥＳＲ操作を、図３に示すエネルギーダイアグラムに即して説明する。図３の（ａ）〜（ｃ）は、ＥＳＲ操作に伴い経時変化した状態を示している。ここで、３５はドレイン電極のエネルギー状態を、３６はソース電極のエネルギー状態をそれぞれ示しており、塗りつぶした部分は電子が詰まっているため上端面以下のエネルギー状態の電子は流れない。３７はトンネル障壁で、３８は上向きの基底状態の電子スピン、３９は下向きの励起状態の電子スピンを示している。
【０００６】
まず、左側の量子ドット８に電子を電極操作により入れる。十分長い時間（１ミリ秒〜１秒) 待つと両方の量子ドット８，９で電子スピンが揃い、パウリ原理により電流が流れなくなる（下記非特許文献６参照）。つまり、図３（ａ）において、４０は量子ドット８，９間に電流が流れなくなったことを示しており、電子スピン情報が初期化されたことを示している。その後、高周波磁場を与えＥＳＲ操作をする。図３（ｂ）に示すように、ＥＳＲにより電子スピン３９が反転する。さらに、量子ドット間のトンネル確率が十分高ければ、ＥＳＲ操作が行われたことが量子ドット間電流１６の流れとして観測される〔図３（ｃ）〕。このようにＥＳＲ操作により電子スピンの状態が変化することが分かる。
【０００７】
当該電子装置を用いて、多量子ビットを作製するためには、各量子ドット間の電子スピン結合状態の精密制御と各量子ドット内の電子スピンの高速制御が必要である（Ｂ）。下記非特許文献２の方法に即して電子スピン間の結合状態を制御する方法を図４に示す。デバイスは図１，図２とほぼ同じものであるので同じ図を用いて説明する。まず、図４（ａ）に示すように、初期状態で２つの電子スピン３８，３９が逆向きであるものとする。上記記載の（Ａ）とは異なり、電子スピン３８，３９のエネルギー状態はドレイン電極・ソース電極のエネルギー状態３５，３６よりも低く、電流は流れていないものとする。緩和して電子スピン３８，３９がそろい電子スピンブロックが起きる前に、図４（ｂ）に示すように、左側量子ドット形成ゲート電極４への印加電圧を電荷の移動がない程度に少しだけ強めるか、もしくは相対的に中央ゲート電極５の下の空乏層を弱めることにより、電子スピン間の相互作用２０を強めることができる。その後、図４（ｃ）に示すように、電子スピンは相互作用し向きの揃った状態となる。このように電子は相互作用し向きの揃った状態、逆向きの状態を往復運動する。相互作用の時間を一定にすることで電子の向きを始めの状態とはいつも逆向きにすることができる。この作用は、ＮＯＴ操作を表している。上記（Ａ）と（Ｂ）とを組み合わせれば、量子ビット、量子計算は一見容易なように考えられる。
【非特許文献１】Ｌｏｓｓ，Ｄ．＆  ＤｉＶｉｎｃｅｎｚｏ  Ｄ．Ｐ．，Ｑｕａｎｔｕｍ  ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ．  Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ  ５７，ｐｐ．１２０−１２６ (１９９８)
【非特許文献２】Ｐｅｔｔａ，Ｊ．Ｒ．ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｉｎｓ  ｉｎ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ３０９，ｐｐ．２１８０−２１８４ (２００５)
【非特許文献３】Ｋｏｐｐｅｎｓ，Ｆ．Ｈ．Ｌ．ｅｔ  ａｌ．，Ｄｒｉｖｅｎ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ａ  ｓｉｎｇｌｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｐｉｎ  ｉｎ  ａ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ，Ｎａｔｕｒｅ  ４４２，ｐｐ．７６６ (２００６)
【非特許文献４】Ｎｏｗａｃｋ，Ｋ．Ｃ．ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ａ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｓｐｉｎ  ｗｉｔｈ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ，Ｓｃｉｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  Ｏｎｌｉｎｅ  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  １ (２００７)
【非特許文献５】Ｌａｉｒｄ  Ｅ．Ａ．ｅｔ  ａｌ．，ｈｔｔｐ: ／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／０７０７．０５５７ (２００７)
【非特許文献６】Ｏｎｏ，Ｋ．ｅｔ  ａｌ．，Ｃｕｒｒｅｎｔ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｐａｕｌｉ  ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ  ｉｎ  ａ  ｗｅａｋｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｏｕｂｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｄｏｔ  ｓｙｓｔｅｍ，Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９７，ｐｐ．１３１３−１３１７ (２００２)
【非特許文献７】Ｔａｒｕｃｈａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．７７，ｐｐ．３６１３ (１９９６)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、複数個からなる量子ドットから多量子ビットを形成するためには、各量子ドット中の高速電子スピンを精密に個別にＥＳＲ制御する必要がある。
しかしながら、従来のＥＳＲ法での制御では、全ての量子ドット内の高速電子スピンを一様に揃って制御することしかできず、多ビット化を行うのに不都合が発生していた。
本発明は、上記状況に鑑みて、多量子ビットの各々に個別に、省電力な方法でＥＳＲ制御を行い量子計算を実現することができる強磁性体磁石を有する量子ドットを用いた電子装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕量子ドットを用いた電子装置において、半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ＥＳＲ信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする。
【００１０】
〔２〕半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ＥＳＲ信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、シリコンとシリコンゲルマニウムとのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する横型量子ドットからなることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、２重ヘテロ構造間に前記２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板の前記２次元電子ガス層を幾何学的に切り出し、金属電極を周囲に配置した構造からなる縦型量子ドットからなることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、１．６ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１２】
〔５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、１．６ＧＨｚ以上３ＧＨｚ以下であることを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、３ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下であることを特徴とする。
〔７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記高周波電場の周波数は、３０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下であることを特徴とする。
【００１３】
〔８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がコバルト又はコバルトを５０％以上含むコバルト合金からなることを特徴とする。
〔９〕上記〔８〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする。
【００１４】
〔１０〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がニッケル又はニッケルを５０％以上含むニッケル合金からなることを特徴とする。
〔１１〕上記〔１０〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．１５μｍから３μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする。
【００１５】
〔１２〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がジスプロシウム又はジスプロシウムを５０％以上含むジスプロシウム合金からなることを特徴とする。
〔１３〕上記〔１２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする。
【００１６】
〔１４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が鉄又は鉄を５０％以上含む鉄合金からなることを特徴とする。
〔１５〕上記〔１４〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする。
【００１７】
〔１６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜がクロム又はクロムを５０％以上含むクロム合金からなることを特徴とする。
〔１７〕上記〔１６〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の厚みが０．０２５μｍから１μｍ、前記強磁性体薄膜の幅が０．３μｍから０．４μｍ、前記強磁性体薄膜の長さが１μｍであることを特徴とする。
【００１８】
〔１８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜が発生する磁場により前記量子ドット面に対する傾斜磁場および平行磁場を発生することを特徴とする。
〔１９〕上記〔１８〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、極低温下で外部強磁場を印加して前記量子ドット中の電子スピンのエネルギー状態を変え、前記平行磁場の作用により前記各量子ドットで独立なエネルギー状態を持つことを特徴とする。
【００１９】
〔２０〕上記〔１８〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの近傍に配置された電子を電気的に駆動し、前記傾斜磁場の介在により電子スピン共鳴を実現することを特徴とする。
〔２１〕上記〔２０〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子スピン共鳴により、電子スピン状態を上向き、下向きに操作でき、前記電子スピン状態をビットに対応させることで量子ビットを設定することを特徴とする。
【００２０】
〔２２〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記複数個の量子ドットの各々が前記強磁性体微小磁石の作用により異なるエネルギー状態を持つようにしたことを特徴とする。
〔２３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに異なった周波数の高周波電場を与えることにより、電子スピン共鳴の原理により独立な電子スピン操作が可能であることを特徴とする。
【００２１】
〔２４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット中に存在する電子が互いに電子的結合状態を形成することを特徴とする。
〔２５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記電子の結合状態を操作し、量子演算を実行することを特徴とする。
〔２６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石が強磁性体金属か、あるいは酸化物強磁性体金属、超伝導体金属または酸化物超伝導体金属からなることを特徴とする。
【００２２】
〔２７〕上記〔１〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が異なることを特徴とする。
〔２８〕上記〔２７〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石と前記各量子ドットとの間の距離が０．１５μｍから０．５μｍまで変化し、前記強磁性体微小磁石の厚みが０．１μｍであることを特徴とする。
【００２３】
〔２９〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットに最隣接の強磁性体微小磁石の厚さを変化させたことを特徴とする。
〔３０〕上記〔２９〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石の厚みが０．０２５μｍから１μｍまで変化することを特徴とする。
〔３１〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極と前記強磁性体微小磁石との間に誘電体膜を挟み込んだことを特徴とする。
【００２４】
〔３２〕上記〔３１〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記誘電体膜が電子ビーム描画レジスト、フォトレジストまたは二酸化ケイ素、シリコンナイトライドであることを特徴とする。
〔３３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体微小磁石並びに前記制御電極および量子ドット形成ゲート電極の大きさを一様に変化させ、印加される電圧の操作の大きさで不変な機能をもたらすようにしたことを特徴とする。
【００２５】
〔３４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドットの近傍に制御電極および量子ドット形成電極並びに読み取り用量子ポイントコンタクトゲート電極を配置することにより１次元の量子化された伝導現象を呈する、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする。
〔３５〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、近隣の量子ドットの電荷数により伝導率を変化させる、量子ポイントコンタクトを具備することを特徴とする。
【００２６】
〔３６〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記量子ドット間の電子の結合状態や電荷検出を介在させた電子スピン状態の読み取りを行うことを特徴とする。
〔３７〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記強磁性体薄膜の近傍に対して漏れ磁場による電子スピン配列を利用した電子スピン分極した電流を注入可能にしたことを特徴とする。
【００２７】
〔３８〕上記〔１〕又は〔２〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各量子ドットの電子スピン状態を一意に制御し、フリップフロップ動作が可能にすることを特徴とする。
〔３９〕上記〔１９〕記載の量子ドットを用いた電子装置において、前記各電子スピン間の結合状態を制御して量子演算を可能にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
従来技術では困難であった量子ビット列からなる多量子ビットの各々に個別にしかも従来の方法よりも省電力な方法でＥＳＲ制御を行い量子計算を実現できる、強磁性体微小磁石を有する量子ドットを用いた電子装置を提供することができる。
具体的な実証事例は、量子ドット近傍に具備された強磁性体微小磁石によって量子ドット中のゼーマン準位を精密かつ識別可能な大きさで変調できること、ならびに傾斜磁場が高周波電場を高周波磁場に変換するため量子ドットの電子スピンを正確にＥＳＲ制御できることを示している。さらに強磁性体微小磁石の強度を変えることにより、上記ゼーマンエネルギーの変調の大きさを制御できるため各量子ドットを異なった共鳴周波数で制御可能なことを実証している。さらに、ＥＳＲ操作に必要な電力が従来の方法よりも１０倍程度格段に低いことも効果としてもたらされる。従来の技術では不可能と思われた個別のＥＳＲ操作を可能にしたことにより量子計算の実現可能性を格段に高めている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の量子ドットを用いた電子装置は、半導体結晶基板内に形成される複数個並べられた半導体量子ドットと、前記半導体結晶基板の表面に形成される複数のゲート電極と、ＥＳＲ信号印加電極と、前記半導体結晶基板上に形成される誘電体膜と、該誘電体膜の表面で、かつ前記量子ドットの上方に形成され、高周波電場を高周波磁場に変換する、強磁性体薄膜からなる強磁性体微小磁石と、前記量子ドット間の中間に配置される制御電極とを備え、前記制御電極に電圧を印加することにより前記制御電極下の空乏層を伸縮させ、電子の結合状態を制御する量子ドットを用いた電子装置であって、前記量子ドットは、ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合界面に２次元電子ガス層を有する半導体結晶基板表面に量子ドット形成ゲート電極を配置した構造を有する。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
ここでは半導体量子ドットが２個の場合の電子装置を用いて説明する。
図５は本発明の第１実施例を示す横型２量子ドットを用いた電子装置の上面模式図である。また、その断面図を図６に示す。なお、従来技術として用いられている半導体量子ドットと同じ部分については同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００３１】
半導体結晶基板１上面にカリックスアーレン絶縁膜１４を塗布する。この上には高周波電場を高周波磁場に変換するための強磁性体微小磁石１０を電子ビーム真空蒸着してゲート電極２，３，４，５の表面から９０ｎｍ離れた位置に形成する。つまり、強磁性体微小磁石１０としての強磁性体薄膜が形成される。なお、ゲート電極２，３，４，５への印加電圧を調整することで、両量子ドット８，９には電子が１個のみ存在するように構成する。なお、１５はＱＰＣ電流（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｐｏｉｎｔ  Ｃｏｎｔａｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ；量子ポイントコンタクト電流）を示す。
【００３２】
図５に示す電子装置を稀釈冷凍装置の試料ホルダーに設置して、試料を１００ｍＫ（ミリケルビン）まで冷却する。電子スピンのエネルギー状態を固定するために外部磁場１７〔２．５Ｔ（テスラー）〕を印加する。この状態で、背景技術（Ａ）で示したように電子スピンブロック状態が達成されており、電子スピン共鳴が起こらなければ電流は流れない。
【００３３】
図７には強磁場下で強磁性体微小磁石１０により磁化した様子並びにこの磁化によってもたらされる量子ドット８，９面への平行磁場成分４３と傾斜磁場成分４２を示した。４１は強磁性体微小磁石１０によって作られる磁力線である。
ＥＳＲ信号印加電極（高周波電極）７に高周波電場、例えば、後述する図８及び図９に示されるように、１．６ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、なかでも、図８に示されるように、１．６ＧＨｚ以上３ＧＨｚ以下、又は３ＧＨｚ以上３０ＧＨｚ以下又は図９に示されるように、３０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下をかけると量子ドット８，９中の電子スピンが電気的に駆動される。振動方向は外部磁場１７と平行であり傾斜磁場成分４２と垂直である。量子ドット８，９近傍に配置された強磁性体微小磁石１０のもたらす傾斜磁場成分４２下で量子ドット８，９中に存在する電子を揺さぶることで、その電子は図７の上下方向に変化する有効的な高周波磁場を感じる。静止した電子スピンの方向は外部磁場１７及び振動方向に平行なので電子の振動により電子スピンは電磁気学に従って平行から反れる方向に偶力（トルク）を感じる。この偶力はＥＳＲ制御における電子スピンの再差運動を記述し電子スピンの向きを周期的に反転させる。電子の振動時間を精密に制御することにより電子スピンを常に１８０°反転させることができる。
【００３４】
図８は本発明にかかるＥＳＲ共鳴ピークの一連の実測結果を示す図である。縦軸は電流（ｐＡ）で横軸は磁場（Ｔ）である。なお、図８の内図は磁場１．７Ｔの印加時の共鳴状態の拡大図である。共鳴の線形応答性を見やすくするために基準線のオフセットを調整している。各共鳴ピークの基準線の高さは右側縦軸に与えた共鳴周波数（ＧＨｚ）に対応している。ここで示したＥＳＲ制御の方法は従来技術で述べたマイクロコイルによる方法と比べると約１０倍以上、制御電極に直接マイクロ波を入れる方法と比べても５倍以上低い電力で駆動されている。
【００３５】
図９は本発明にかかる共鳴磁場と共鳴周波数の関係を示す図である。高磁場では共鳴点が磁場に線形に増大するが、低磁場では共鳴磁場が強磁性体微小磁石の影響で直線的には変化していない。縦軸に示される共鳴磁場を微小量補正して横軸に示される共鳴周波数（ＧＨｚ）で割ると、共鳴周波数の高い点における共鳴は一定の直線関係で示されていることが明らかである。一方、低磁場領域では、なだらかに減少することが観測されている。この補正量は強磁性体微小磁石１０のもたらす平行磁場成分４３を示しており、このことは強磁性体微小磁石１０が外部磁場によって磁化していく様子を示している。図９より約２Ｔ以上では強磁性体微小磁石１０が完全に磁化されていることが分かる。
【００３６】
強磁性体微小磁石１０のもたらす外部磁場に平行な平行磁場成分４３は外部磁場１７に加減算され、電子スピンのエネルギーを１〜１０％程度わずかに偏重する。すなわち、強磁性体微小磁石１０の構造を調整することにより電子スピンのエネルギーを変化させることができる。
平行磁場成分４３の大きさは磁化の度合いにより異なる。完全に磁化した状態ではこの外部磁場１７に平行な平行磁場成分４３は位置により微小に異なるため、量子ドット８，９の位置によって共鳴磁場を変えることができる。図１０に示したグラフはＥＳＲ共鳴を観測したグラフであり、それぞれのピークは量子ドット８, ９の共鳴を示す。各量子ドットのどちらか一方の電子スピンがＥＳＲに共鳴したとき電流が流れる。各量子ドットのＥＳＲ信号が異なる周波数で測定されることを示しており、個別の量子ドットにおいて異なった周波数を選ぶことにより独立にＥＳＲ制御できる。図８によると、外部磁場が２Ｔ以下ではこのような２つのピークは観測されていない（もしくは信号が小さい）が、これは図９に示されているように低磁場領域では強磁性体微小磁石１０が完全に磁化されておらず平行磁場成分４３も小さいためであると思われる。
【００３７】
また、本発明の第２実施例によれば、背景技術（Ｂ）で説明したスワッピング操作と組み合わせることにより、量子計算に必要な量子ビット（ＱＵＢＩＴ）が実現可能である。
以下に具体的な量子演算方法を示す。
図１１は本発明にかかる量子ドット状態の遷移図である。
各電子スピン状態を「０」，「１」の数字で表し、「０」を電子スピンが外部磁場１７に揃った状態（基底状態）、「１」を電子スピンが反転した状態（励起状態）であるとする。各電子スピン状態は左から（Ｄ１，Ｄ２）で表すものとする。まず、静磁場下で緩和時間程度待ち初期化を行う。この状態で各電子スピン状態は図１１（ａ）に示すように両方とも上向き、すなわち（０，０）である。次に、ＥＳＲ信号印加電極（高周波電極）７（図５、図６参照）に高周波電場をかけ注目する電子スピンをＥＳＲ操作により反転させる。共鳴磁場と共振周波数は上記記載のように選択可能である。説明のため左端の量子ドットの電子スピンを反転したものとする。つまり、図１１（ｂ）に示すように、各電子スピンの状態は（１，０）になる。次に、量子ドット結合制御電極２もしくは中央ゲート電極５をいわゆるパルス操作して隣の量子ドットと相関をもたせ、相互作用を行わせる。より具体的には電極に加えられている電圧を瞬間的に弱め、双方を空間的に近づけ相互作用させる。電子スピン情報は転写され電子スピンは反転する〔この状態で、図１１（ｃ）に示すように、（０，１）〕。さらに右側の量子ドットをＥＳＲ操作で反転させ、 (０，０) の状態にする。この状態〔図１１（ｄ）の状態〕では電子スピンブロックにより電流が流れない。つまり、左右のドットにＥＳＲ入力を与えると電流が流れない。同様に左だけ、もしくは右だけ入力を与えると電流が流れる。何も入力を与えず、相互作用のみを行うと電流が流れない。これらの４つの量子ビット状態はＣＮＯＴもしくはＸＯＲ操作と同等であることが示された。
【００３８】
また、初期状態（０，０）からＥＲＳ操作で（１，０）にして相互作用で（０，１）にする。この動作は量子ビット情報が左から右に１ビット転写されていることを示しており、フリップフロップ演算の基本動作を示している。
また、本発明の第３実施例によれば、既に説明済みの横型量子ドット配列だけでなく、縦型量子ドット配列にも適応可能である。図１２は本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドット作製に用いる半導体結晶基板の断面概念図、図１３は本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドットを用いた電子装置の断面図、図１４は本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドットを用いた電子装置の上面模式図である。
【００３９】
縦型量子ドットは、図１２に示すように、Ｎ−ＧａＡｓ結晶基板２２上にエピタキシャル結晶成長法により、ＡｌＧａＡｓ結晶層２３を１０ｎｍ、ＧａＡｓ結晶層２４を１０ｎｍ、ＡｌＧａＡｓ結晶層２５を１０ｎｍ、ＧａＡｓ (ｎ+ ) 結晶層２６を３５０ｎｍ結晶成長させる。ＧａＡｓ結晶層２４に２ＤＥＧ（２次元電子ガス）層が形成される。この半導体結晶基板に量子ドットサイズ０．３μｍ径のパターンを形成して、エッチング法により、図１３に示すように、メサ型に基板までエッチングする。量子ドット３１，３２側面にＡｕあるいはＡｌ等のゲート電極（素子ドット形成電極）２９を蒸着すると、量子ドット３１，３２側面にショットキー障壁が形成される。量子ドット上面と基板裏面にＡｕ／Ｇｅ等の金属を蒸着してアロイ化してそれぞれ量子ドット上部オーミック電極２７，量子ドットオーミック下部電極３３を形成する。さらに、各量子ドット３１，３２近傍に強磁性体微小磁石２８としてＣｏあるいはＮｉ等の強磁性体金属や強磁性体金属酸化膜を形成する。ここで、例えば、強磁性体微小磁石２８と各半導体量子ドット３１，３２の距離が０．１５μｍから０．５μｍまでに変化し強磁性体微小磁石２８の厚みが０．１μｍである。ゲート電極２９への印加電圧を制御することにより、量子ドット３１，３２内の電子数を１個まで制御できる。また、量子ドット結合制御電極３０の電圧制御により、両量子ドット３１，３２間電子スピンの相互作用（結合状態) を制御できる。このような縦型量子ドット配列でも、第１及び第２実施例の横型量子ドット配列の場合と同様に強磁性体微小磁石２８による各量子ドットのＥＳＲ制御の効果が挙げられる。
【００４０】
以上の実施例は、２量子ドットの場合を例にとり説明したが量子ドットを３つ以上並べた系でも同様の議論が成り立つ。
本発明の第４，５実施例によれば、強磁性体微小磁石の各量子ドットに対する配置位置およびパターン形状を変えることにより、各量子ドットのＥＳＲ制御を異なった周波数で精密に制御可能となる。
【００４１】
図１５は本発明の第４実施例を示す強磁性体微小磁石付き多量子ビットの配置概念図（その１）、図１６は本発明の第５実施例を示す強磁性体微小磁石付き多量子ビットの配置概念図（その２）である。
図１５に示すように、量子ドット列１９に対して対称に、強磁性体微小磁石としての階段型強磁性体微小磁石１８を配置している。この階段型強磁性体微小磁石１８は量子ドット列の中心からその端面までの距離がｄ1 ，ｄ2 ，ｄ3 ，ｄ4 ・・・と幅が変えられている。このパターンではＥＳＲが観測されるほど十分大きな傾斜磁場成分が得られることが分かった。例えば階段型微小強磁性体１８の金属としてＣｏを用いた場合、Ｃｏの厚さ０．０５μｍから１μｍ、幅０．３μｍから０．４μｍ、長さ１μｍ、また、Ｎｉを用いた場合、Ｎｉの厚みが０．１５μｍから３μｍ、幅０．３μｍから０．４μｍ、長さが１μｍ、また、Ｄｙ（ジスプロシウム）を用いた場合、Ｄｙの厚みが０．０２５μｍから１μｍ、幅０．３μｍから０．４μｍ、長さ１μｍ、また、Ｆｅを用いた場合、Ｆｅの厚みが０．０２５μｍから１μｍ、幅０．３μｍから０．４μｍ、長さが１μｍ、Ｃｒを用いた場合、Ｃｒの厚みが０．０２５μｍから１μｍ、幅０．３μｍから０．４μｍ、長さが１μｍである。
【００４２】
ＥＳＲ印加磁場２Ｔの場合、距離ｄ1 が０．０３５μｍまたは３５ｎｍで、共鳴周波数を０．６ＧＨｚ程変えることができる。また、距離ｄ2 が４５ｎｍで、周波数を０．６４ＧＨｚ程変えることができる。
また、本発明の第５実施例によれば、図１６に示すように、量子ドット列１９から微小強磁性体までは等距離であるが、厚さをｔ1 ，ｔ2 ，ｔ3 ，・・・とした微小強磁性体２１を張り付けた場合も全く同様の効果がある。例えば、ＥＳＲ印加磁場強度２Ｔの場合、膜界面と量子ドット列１９間の距離３５ｎｍの場合、膜厚１５０ｎｍで変位磁場１００ｍＴ，１７０ｎｍで変位磁場１１０ｍＴと可変可能である。このように、量子ドット列１９の強磁性体微小膜厚を可変にすることにより、各量子ドットを各所望の周波数で共鳴させる効果がある。また、量子ドット列１９に対して対称の位置に強磁性体を配置しているが、非対称パターン、片側のみパターンがある配列でも同様の効果がある。
【００４３】
本発明の第６実施例によれば、上記第１〜第５実施例の発明は誘電体膜の種類を変えても適応可能である。すなわち、誘電体膜として、電子ビーム描画レジスト（ＰＭＭＡ、ＯＥＢＲ、ＺＥＰ）、フォトレジスト（Ｓ１８００、ＡＺ５２００）、二酸化ケイ素、シリコンナイトライド等を用いても同様の効果が期待できる。
また、本発明の第７実施例によれば、上記第１〜第５実施例の発明の量子ドットを大きくしたり小さくしても操作電圧を増減させるだけで全く同じ効果が期待でき、微小強磁性体（強磁性体微小磁石）の厚み、形状を変えるだけで実効的には同じ効果を期待できるためスケーラブルである。
【００４４】
さらに、本発明の第８実施例によれば、半導体量子ドット配列の入力端、および出力端に量子ポイントコンタクト電流（ＱＰＣ電流１５：ＩQPC ）を測定できる読み取り用量子ポイントコンタクト電極６（図５、１５及び１６参照）を具備することにより、電子スピン状態を変化させることなくそれぞれの電荷状態を読み出し可能である。
また、第２実施例で示したように量子演算後に電子を移動させる、例えば、電子スピンの状態（１，０）で電子を移動させ電子数の異なった状態に遷移させるとＱＰＣ電流（量子ポイントコンタクト電流）１５が変化するので、このＱＰＣ電流（量子ポイントコンタクト電流）１５を観察することで量子演算の結果を間接的に観測することができる。
【００４５】
同様に量子ドットの入力端極近傍に量子ポイントコンタクト構造体と強磁性体微小磁石を形成することにより、入力端では量子ドットに書き込みが可能となる。すなわちＱＰＣ電流（量子ポイントコンタクト電流）と量子ドットの入力端を十分近傍に配置し、その中間に強磁性体微小磁石を配置する。量子ポイントコンタクトを抜け出した電流は強磁性体微小磁石により軌道を変化させるが、その変化量はシュテルンゲルラッハの実験結果に示される様に電子スピンの状態で変化する。このようにして入力端における電子スピン状態は選択可能となる。もちろん電子スピン状態を固定したくない場合は量子ポイントコンタクトを解除すれば電子の軌道や電子スピン状態に関係なく量子ドットに電子が注入される。
【００４６】
また、半導体結晶基板としては、上記したＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓの他にＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ，Ｓｉ等またはこれらの混晶を用いても同様の効果を期待できる。
また、電子スピン間の相互作用２０（図１５及び図１６参照）をゲート電圧の高速操作により意のままに変えて量子演算を可能にすることができる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の強磁性体微小磁石を有する量子ドットを用いた電子装置は、多量子ビットの各々に個別にしかも、省電力化を図るＥＳＲ制御を行い量子計算を実現できる電子装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来の量子ドットを用いた電子装置の上面図である。
【図２】従来の量子ドットを用いた電子装置の側面図である。
【図３】従来技術である電子スピンブロックを用いたＥＳＲ制御のエネルギーダイアグラムを示す図である。
【図４】従来技術である電子スピン情報転写のエネルギーダイアグラムを示す図である。
【図５】本発明の第１実施例を示す横型２量子ドットを用いた電子装置の上面パターン模式図である。
【図６】本発明の第１実施例を示す横型２量子ドットを用いた電子装置の断面概略図である。
【図７】本発明にかかる強磁性体微小磁石により発生する傾斜磁場成分と平行磁場成分の空間分布を示す図である。
【図８】本発明にかかる磁場を０から５Ｔまで変えた場合のＥＳＲ共鳴の実験結果を示す図である。
【図９】本発明にかかる共鳴周波数と共鳴磁場の関係を示す図である。
【図１０】本発明にかかるＥＳＲ共鳴を観測したグラフを示す図である。
【図１１】本発明にかかる量子ドット状態の遷移図である。
【図１２】本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドット作製に用いる半導体結晶基板の断面概念図である。
【図１３】本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドットを用いた電子装置の断面図である。
【図１４】本発明の第３実施例を示す縦型２量子ドットを用いた電子装置の上面模式図である。
【図１５】本発明の第４実施例を示す強磁性体微小磁石付き多量子ビットの配置概念図（その１）である。
【図１６】本発明の第５実施例を示す強磁性体微小磁石付き多量子ビットの配置概念図（その２）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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