(57)【要約】【課題】  固体状態であっても容易に制御することができる量子デバイス、その制御方法及びその製造方法を提供する。【解決手段】  半導体基板に、複数個の量子リング１が一方向に並んで配列されている。また、各量子リング１の中心部に、１個ずつの31Ｐ原子２が存在している。更に、各量子リング１に隣接して１個ずつの量子ドット３が形成されている。半導体基板は、例えばＳｉ基板上に、厚さが１００ｎｍ程度のＳｉ1-xＧｅxエピタキシャル層を成長させたものである。量子リング１は、例えばリング状のＳｉ又はＳｉ1-xＧｅx膜から構成され、量子ドット３は、例えば点状のＳｉ又はＳｉ1-xＧｅx膜から構成される。量子リング１、31Ｐ原子２及び量子ドット３から量子キュービット５が構成され、この量子キュービット５には、31Ｐ原子２の存在に伴って必然的に電子４が含まれている。なお、電子４は量子リング１又は量子ドット３内に閉じ込められる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子リングと、
前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、
前記量子リングに隣接する量子ドットと、
含む量子キュービットを有することを特徴とする量子デバイス。
【請求項２】
前記量子キュービットは、ＳｉＧｅを含有することを特徴とする請求項１に記載の量子デバイス。
【請求項３】
前記核スピンは、31Ｐ原子のものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子デバイス。
【請求項４】
前記量子キュービットに対する操作は、前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間の超微細相互作用に基づいて行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【請求項５】
前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、１本の線上に並んで配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【請求項６】
量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、含む量子キュービットを有する量子デバイスを制御する方法であって、
光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの制御方法。
【請求項７】
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間に超微細相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の量子デバイスの制御方法。
【請求項８】
前記量子デバイスは、前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、１本の線上に並んで配置されており、
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う２個に対して、
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の２個の電子のスピン間に交換相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の量子デバイスの制御方法。
【請求項９】
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有し、
更に、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【請求項１０】
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子キュービットを備えた量子デバイス、その制御方法及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータを構成する量子キュービット（ビット）を形成する種々の方法が検討されている。また、核スピンは、量子キュービットの候補として好ましい。これは、そのデコヒーレンス時間が１０-2秒〜１０8秒と長いからである。そこで、液体状態の核スピンキュービットについて検証が行われている（特許文献１）。この文献には、１／２の核スピンを有する多量の原子（例えば、1Ｈ、13Ｃ、19Ｆ、15Ｎ及び31Ｐ）を含む分子を溶解した溶媒に対し、核スピン量子コンピュータの操作として核磁気共鳴（ＮＭＲ：nuclear magnetic resonance）を起こさせることが記載されている。１／２の核スピンを有する原子は、夫々キュービットとして動作する。また、分子内では、異なるサイトに位置する原子間では共鳴周波数が異なるため、各キュービットを独立して操作することが可能である。このような技術によれば、量子フーリエ変換や小さい素数の因数分解を行うことができる。しかしながら、液体状態のデバイスでは小型化が困難である。
【０００３】
そこで、固体状態の核スピンキュービットが必要とされている。そして、例えば非特許文献２に、Ｓｉを主材料とした核スピン量子コンピュータが提案されている。この量子コンピュータでは、28Ｓｉ内で１／２の核スピンを有する31Ｐ原子がキュービットとして用いられており、静電場の印加と共鳴無線周波数（ｒｆ）との組み合わせにより核スピンの回転が行われている。また、２個のキュービットからなる量子ゲートが、隣り合う31Ｐ原子の静電ゲート及び共鳴無線周波数の組み合わせにより行われている。
【０００４】
しかしながら、このような量子コンピュータでは、静電ゲートを用いた電子雲の正確な操作が極めて困難である。また、核スピン原子を１個ずつ各キュービットに正確に配置することも極めて困難である。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３３８６１８号公報
【非特許文献１】I. L. Chuang et al., Nature 393, 143 (1998)
【非特許文献２】B. E. Kane, Nature 393, 133 (1998)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、固体状態であっても容易に制御することができる量子デバイス、その制御方法及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【０００８】
本発明に係る量子デバイスは、量子キュービットを有する。この量子キュービットには、量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、が含まれている。
【０００９】
本発明に係る量子デバイスの制御方法は、量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、含む量子キュービットを有する量子デバイスを制御する方法を対象とする。そして、光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる。
【００１０】
本発明に係る第１の量子デバイスの製造方法では、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成した後、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する。次に、前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する。但し、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる。
【００１１】
本発明に係る第２の量子デバイスの製造方法では、半導体基板の表面に不純物原子を導入した後、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する。次に、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する。次いで、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する。そして、前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固体状態の量子デバイスであっても、量子リングと量子ドットとが互いに隣接しているため、容易に核スピンの制御を行うことができる。例えば、電子が量子リング内にあれば、核スピンと電子スピンとの超微細相互作用が働く。また、電子を量子ドットに移動させれば、超微細相互作用を働かなくすることができる。そして、核スピンの回転の制御は、例えばＮＭＲ周波数に基づいて行うことができるため、制御が容易である。更に、光学パルスによって電子の移動を制御できるため、デコヒーレンスを生じにくくすることもできる。更にまた、このような構造は、ＡＦＭ探針等を用いて用意に形成することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る量子デバイスを示す模式図である。
【００１４】
本実施形態に係る量子デバイスでは、半導体基板に、複数個の量子リング１が一方向に並んで配列されている。また、各量子リング１の中心部に、１個ずつの31Ｐ原子２が存在している。更に、各量子リング１に隣接して１個ずつの量子ドット３が形成されている。半導体基板は、例えばＳｉ基板上に、厚さが１００ｎｍ程度のＳｉ1-xＧｅxエピタキシャル層を成長させたものである。量子リング１は、例えばリング状のＳｉ又はＳｉ1-xＧｅx（但し、ｘはエピタキシャル層のそれよりも小さい）膜から構成される。また、量子ドット３は、例えば点状のＳｉ又はＳｉ1-xＧｅx（但し、ｘはエピタキシャル層のそれよりも小さい）膜から構成される。31Ｐ原子２は、例えば量子リング１の形成過程で導入されたものである。また、量子リング１の大きさは、直径が５０ｎｍ程度以下、好ましくは１０ｎｍ程度である。量子ドット３の大きさは、直径が４０ｎｍ程度以下、好ましくは１０ｎｍ程度である。なお、これらを構成するＳｉ及びＧｅとして、核スピンのないものを用いることが好ましい。
【００１５】
そして、本実施形態では、量子リング１、31Ｐ原子２及び量子ドット３から量子キュービット５が構成され、この量子キュービット５には、31Ｐ原子２の存在に伴って必然的に電子４が含まれている。なお、電子４は量子リング１又は量子ドット３内に閉じ込められる。
【００１６】
このように構成された量子デバイスでは、電子スピンと核スピンとの間で効果的な超微細相互作用が働く。このため、従来のように外部の静電ゲート等から電場を印加して電子の操作を行うのではなく、光学パルスを印加することにより、スピンの状態を制御することができる。また、電子４は外部から印加される電圧の影響を受けない。このため、動作の安定性が向上する。
【００１７】
ここで、量子デバイスの動作の一例について説明する。製造後の状態では、電子４は量子リング１内に存在する。この状態で各量子キュービット５に所定の光学パルスを印加すると、図２に示すように、電子４が励起されて量子リング１から量子ドット３に移動する。この結果、31Ｐ原子２の核スピンが電子４のスピンとの相互作用から解放される。この状態はコヒーレント状態が維持される時間だけ維持される。
【００１８】
そして、図１に示すように、例えばＮＭＲ装置内で、全ての量子キュービット５に、周波数νのｒｆパルスを与えて磁場を印加することにより、核スピンを揃えることができる。これは、全ての量子キュービット５の共鳴無線周波数が互いに等しいからである。ここで、周波数νは、「ν＝２ｇnμnＢ／ｈ」で表わされる。但し、Ｂは印加された磁場の強さであり、μnは核磁子であり、ｇnは核ｇ因子であり、ｈはプランク定数である。この状態を、本実施形態では待機状態とする。
【００１９】
また、例えば１個の量子キュービット５に対して光学パルスを印加することにより、この量子キュービット５において量子ドット３内に存在する電子４を量子リング１内に戻すことができる。このとき、光学パルスが操作対象とする量子キュービット５に隣接する他の量子キュービット５にもかかることもあるが、その波長を適切に調節することにより、当該他の量子キュービット５での誤操作を回避することができる。そして、図３に示すように、量子リング１内に電子４が戻ると、超微細相互作用が電子４のスピンと31Ｐ原子２の核スピンとの間に働くようになる。この結果、当該量子キュービット５におけるＮＭＲ周波数が変化する。変化後の共鳴周波数νAは、「ｈνA＝２ｇnμnＢ＋２Ａ＋２Ａ2／μBＢ」から求められる。但し、Ａは超微細相互作用エネルギであり、μBはボーア磁子である。なお、超微細相互作用エネルギＡは核と重なり合う電子の波動関数に依存する。
【００２０】
このような単一の量子キュービット５の操作は、図３に示すように、選択的に１個の核スピンを回転させることを可能とする。即ち、共鳴周波数νAのＮＭＲパルスを印加することにより、残りの量子キュービット５内の核スピンを回転させることなく、単一の核スピンを回転させることができるようになる。このような核スピンの回転は、電子４の移動及びＮＭＲパルスの終了により完了する。
【００２１】
また、例えば隣り合う２個の量子キュービット５に対して光学パルスを印加することにより、これらの２個の量子キュービット５において量子ドット３内に存在する電子４を量子リング１内に戻すことができる。このような操作を行うと、２個の量子キュービット５間での交換結合を用いることができる。上述のように、これらの量子キュービット５内では、電子４のスピンと核スピンとの間に超微細相互作用が働く。また、これらの２個の量子キュービット５間において、量子リング１同士が互いに近接しているため、図４に示すように、２個の電子４のスピンが交換相互作用により互いに結合する。このため、適当な磁場が印加されると、電子スピンの交換相互作用及び電子スピンと核スピンとの間の超微細相互作用により、隣り合う２個の量子キュービット５内の核スピンも互いに結合させることができる。即ち、２個の31Ｐ原子の核スピンを回転させることができる。なお、適当な磁場は、例えば電子の交換エネルギに基づいて求めることができる。
【００２２】
そして、上述のような操作を行った後に、再度光学パルスを印加して電子４を量子ドット３内に戻すことにより、結合を切って待機状態に戻すことができる。
【００２３】
このような本実施形態によれば、固体状態の量子デバイスにおいて、適切な核スピンの操作を容易に行うことができる。
【００２４】
次に、上述のような量子デバイスを製造する方法について説明する。図５は、ＡＦＭを用いて酸化膜を形成する方法を工程順に示す模式図である。また、図６は、同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【００２５】
図５に示すように、大気中で、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の探針２２に負のバイアスを印加し、ＳｉＧｅ基板等の半導体基板１０に正のバイアスを印加して、半導体基板１０との間隔が５ｎｍ程度になるまで探針２２を半導体基板１０に近付けると、半導体基板１０の表面が部分的に酸化されて、球状又は楕円体状の酸化膜１１が形成される。これは、探針２２の近傍で大気中の水（Ｈ2Ｏ）が分解され、ＯＨ-が酸化剤として作用するからである。即ち、図６（ａ）に示すように、微小な楕円体状の酸化膜１１が生成された後、図６（ｂ）に示すように、酸化膜１１が成長する。
【００２６】
また、探針２２をより半導体基板１０に近付けた場合、例えば間隔を２ｎｍ程度とした場合には、先ず、図７（ａ）に示すように、酸化膜１２が探針２２に接触するまで成長する。その後、酸化膜１２は上下方向にそのまま成長することができず、外側に広がるように成長し始め、図７（ｂ）に示すように、酸化膜１２は探針２２を取り囲むようにしてドーナツ状に成長する。
【００２７】
そして、探針２２を半導体基板１０に接触させた場合には、図８（ａ）に示すように、初めからドーナツ状の酸化膜１３が生成し、これが、図８（ｂ）に示すように、そのままドーナツ状に成長する。なお、酸化膜１３は探針２２が接触している部分に成長することはない。
【００２８】
従って、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、探針２２を半導体基板１０に接触させつつ半導体基板１０を酸化すれば、図６（ｂ）に示す酸化膜１１と同程度の大きさのリング状の酸化膜１３を得ることができる。
【００２９】
なお、半導体基板１０の表面の酸化反応は、酸化膜が楕円体状に成長している間は、Ｈ2Ｏの量ではなく、外部電界の強さが律速の要因となるが、酸化膜がドーナツ状に成長し始めると、Ｈ2Ｏの量が律速の要因となる。
【００３０】
量子ドット及び量子リングの形成は、上述のような酸化膜の形成を踏まえて行うことができる。図９（ａ）乃至（ｄ）は、本発明の実施形態に係る量子デバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。但し、図９（ａ）乃至（ｄ）には、量子リングの部分のみを表わす。また、図１１は、図９（ｃ）に相当する平面図であり、図１１中のＩ−Ｉ線に沿った断面が図９（ｃ）に示されている。
【００３１】
この方法では、先ず、図９（ａ）に示すように、ＡＦＭの探針２２を半導体基板１０ａの表面に接触させ、探針２２に負のバイアスを印加し、半導体基板１０ａに正のバイアスを印加することにより、ドーナツ状の酸化膜１３を、量子リング１の形成予定領域に形成する。但し、本実施形態では、酸化膜１３を形成する前に、探針２２の先端にドーパントとして用いる金属原子を付着させておく。このような金属原子としては、例えば31Ｐ原子が挙げられる。このような金属原子は、探針２２に正のバイアスを印加されると放出されるが、酸化膜１３の形成時に探針２２に印加されるバイアスは負であるため、金属原子が脱落することはない。また、探針２２自身をドーパントとして用いられる金属原子を含有するものとしてもよい。
【００３２】
また、酸化膜１３の形成前又は形成後に、量子ドット３の形成予定領域にドット状の酸化膜（図示せず）を形成する。
【００３３】
次に、同じく図９（ａ）に示すように、探針２２を半導体基板１０ａの表面から離した後、探針２２に正のバイアスを印加することにより、正のドーパント５５をリング状の酸化膜１３の中央、即ち酸化膜１３が形成されていない部分に付着させる。このとき、印加電圧及び印加時間を調節することにより、付着するドーパント５５を１原子のみとすることが可能である。
【００３４】
なお、ドーパント５５の付着を行った後に、酸化膜１３を形成してもよい。ドーパント５５の付着安定性を考慮すると、酸化膜１３の形成前に、ドーパント５５を付着させ、更にアニールを行っておくことが好ましい。
【００３５】
なお、半導体基板１０ａとしては、Ｓｉ基板上に、厚さが１００ｎｍ程度のＳｉ1-xＧｅxエピタキシャル層を成長させたものを用いることが好ましい。これは、Ｓｉ基板に歪が存在していたとしても、Ｓｉ1-xＧｅxエピタキシャル層を成長させることにより、基板表面における歪を緩和することができるからである。
【００３６】
次いで、図９（ｂ）に示すように、酸化膜１３を除去する。この結果、リング状の溝２７が形成されると共に、ドット状の窪み（図示せず）が形成される。但し、酸化膜１３の除去はドーパント５５が脱落しない条件で行う必要がある。また、ドーパント５５の脱落を防止するために、酸化膜１３を除去する前に熱処理を行うことにより、ドーパント５５をＳｉ1-xＧｅx層を備えた半導体基板１０ａ中に拡散させておいてもよい。酸化膜１３の除去は、例えば、化学エッチング、水を用いた超音波洗浄、又は真空中での原子状水素を用いた処理等により行うことができる。
【００３７】
その後、図９（ｃ）及び図１１に示すように、半導体膜３６（例えば、Ｓｉ膜）を溝２７内及びドット状の窪み内にエピタキシャル成長させる。
【００３８】
そして、図１０（ｄ）に示すように、半導体膜３６及び半導体基板１０ａを覆うキャップ膜５０を形成することにより、量子デバイスを完成させる。キャップ膜５０としては、例えばＳｉ1-xＧｅx膜を形成する。キャップ膜５０は、例えば分子線結晶成長法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）又は有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）により形成することができる。
【００３９】
このような製造方法によれば、常磁性又は強磁性の量子リング１を得ることができる。そして、このような量子リング１を用いれば、アハラノフ・ボーム（Aharanov-Bohm）効果を奏するナノレベルのデバイスが得られる。
【００４０】
また、直径が５０ｎｍ程度以下で、量子ドット３と同程度の大きさの量子リング１を高い精度で得ることができる。例えば、一般的に用いられているＡＦＭの探針を用いても、直径を２０ｎｍ程度とすることができる。更に、カーボンナノチューブ等からなる特に微細な探針を用いれば、直径を１０ｎｍ程度とすることも可能である。また、サイズのばらつきを５％未満程度とすることも可能である。
【００４１】
そして、この製造方法では、探針２２の位置を制御することにより、量子リング１及び量子ドット３を半導体基板１０ａの所望の位置に形成することができる。また、酸化膜１３の大きさ及び形状は、雰囲気中の湿度、探針２２と半導体基板１０ａとの間の電位差及び成長時間に応じて変化する。これらの３つの要素は容易に制御することができる。また、半導体膜３６の膜厚の制御も容易である。従って、量子ドット３だけでなく量子リング１の大きさも容易に制御することができる。
【００４２】
量子デバイスは、下記のような方法によっても製造することができる。図１０（ａ）乃至（ｄ）は、量子デバイスの他の製造方法を工程順に示す断面図である。
【００４３】
この方法では、先ず、図１０（ａ）に示すように、半導体基板１０ａの表面に微量のドーパント５６、例えば31Ｐ原子を注入する。このとき、量子リング１を形成しようとする位置に、１原子のドーパント５６のみが存在するようにドーピングの条件を調整する。次に、ＳｉＧｅ層等のエピタキシャル層５７を１〜２ｎｍ程度の厚さで形成する。その後、同じく図１０（ａ）に示すように、上述の方法と同様にして酸化膜１３を形成する。
【００４４】
また、酸化膜１３の形成前又は形成後に、量子ドット３の形成予定領域にドット状の酸化膜（図示せず）を形成する。
【００４５】
次いで、探針２２を半導体基板１０ａから離し、探針２２の走査を行いながら、図１０（ｂ）に示すように、酸化膜１３の周囲に酸化膜１９を形成する。即ち、酸化膜１３の中心を除く全面に酸化膜１９を形成する。この酸化膜１９の形成は、酸化膜１３と同様に、大気中のＨ2Ｏの分解に付随する酸化反応により行われる。酸化膜１９の厚さは、エピタキシャル層５７より厚くする。但し、酸化膜１３の底部から酸化膜１９の下面までの間隔も十分に確保する。なお、図１０（ｂ）では、図の簡略化のため、残存しているエピタキシャル層５７も半導体基板１０ａと一体化したものとして表わしている。
【００４６】
その後、図１０（ｃ）に示すように、上述の方法と同様にして酸化膜１３及び１９を除去することにより、溝２７及びドット状の窪み（図示せず）を形成する。この結果、ドーパント５６は、溝２７の中心部に存在するものを除き、除去される。
【００４７】
続いて、図１０（ｄ）に示すように、半導体膜３６ａ（例えば、Ｓｉ膜）を溝２７内及びドット状の窪み内にエピタキシャル成長させる。
【００４８】
そして、上述の方法と同様にしてキャップ膜（図１０に図示せず）を形成することにより、量子デバイスを完成させる。
【００４９】
このような方法によっても、上記の方法と同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、隣り合う２個の量子キュービット５の量子ドット３間で、電子４の弱い相互作用が生ずることもあり得る。このような場合、操作性が低下する。このため、このような懸念がある場合には、図１２（ａ）乃至（ｃ）に示すように、隣り合う量子キュービット５の間で、量子ドット３を配置する場所を、量子リング１が並ぶ線を基準として反対側にすることが好ましい。なお、図１２（ａ）は待機状態を示し、図１２（ｂ）は単一の量子キュービット５に対する操作が行われている状態を示し、図１２（ｃ）は隣り合う２個の量子キュービット５に対する操作が行われている状態を示している。
【００５１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００５２】
（付記１）
量子リングと、
前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、
前記量子リングに隣接する量子ドットと、
含む量子キュービットを有することを特徴とする量子デバイス。
【００５３】
（付記２）
前記量子キュービットは、ＳｉＧｅを含有することを特徴とする付記１に記載の量子デバイス。
【００５４】
（付記３）
前記核スピンは、31Ｐ原子のものであることを特徴とする付記１又は２に記載の量子デバイス。
【００５５】
（付記４）
前記量子キュービットに対する操作は、前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間の超微細相互作用に基づいて行われることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【００５６】
（付記５）
前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、１本の線上に並んで配置されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【００５７】
（付記６）
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、１本の直線上に並んで配置されていることを特徴とする付記５に記載の量子デバイス。
【００５８】
（付記７）
前記複数の量子キュービットの各量子ドットは、前記１本の線を基準として、いずれも同じ側に配置されていることを特徴とする付記５又は６に記載の量子デバイス。
【００５９】
（付記８）
前記複数の量子キュービットの各量子ドットは、前記１本の線を基準として、隣り合う量子キュービット間で反対側に配置されていることを特徴とする付記５又は６に記載の量子デバイス。
【００６０】
（付記９）
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う２個に対する操作は、前記量子リング内の２個の電子のスピン間の交換相互作用に基づいて行われることを特徴とする付記５乃至８のいずれか１項に記載の量子デバイス。
【００６１】
（付記１０）
量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、含む量子キュービットを有する量子デバイスを制御する方法であって、
光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの制御方法。
【００６２】
（付記１１）
前記量子キュービットは、ＳｉＧｅを含有することを特徴とする付記１０に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６３】
（付記１２）
前記核スピンは、31Ｐ原子のものであることを特徴とする付記１０又は１１に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６４】
（付記１３）
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間に超微細相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする付記１０乃至１２のいずれか１項に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６５】
（付記１４）
前記核スピンを回転させる工程は、前記量子キュービットに共鳴周波数のパルスを印加する工程を有することを特徴とする付記１３に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６６】
（付記１５）
前記量子デバイスは、前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、１本の線上に並んで配置されており、
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う２個に対して、
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の２個の電子のスピン間に交換相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする付記１０乃至１４のいずれか１項に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６７】
（付記１６）
前記核スピンを回転させる工程は、前記２個の量子キュービットに磁場を印加する工程を有することを特徴とする付記１５に記載の量子デバイスの制御方法。
【００６８】
（付記１７）
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有し、
更に、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【００６９】
（付記１８）
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
【００７０】
（付記１９）
前記量子リング及び量子ドットを含む量子キュービットを、前記量子リング同士が隣り合うようにして同時に複数形成することを特徴とする付記１７に記載の量子デバイスの製造方法。
【００７１】
（付記２０）
前記量子リング及び量子ドットを含む量子キュービットを、前記量子リング同士が隣り合うようにして同時に複数形成することを特徴とする付記１８に記載の量子デバイスの製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施形態に係る量子デバイスを示す模式図である。
【図２】電子の励起を示す図である。
【図３】超微細相互作用を示す図である。
【図４】交換相互作用を示す図である。
【図５】ＡＦＭを用いて酸化膜を形成する方法を示す模式図である。
【図６】同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図７】探針２２を近付けて酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図８】探針２２を半導体基板１０に接触させて酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る量子デバイスを製造する方法を工程順に示す断面図である。
【図１０】量子デバイスを製造する他の方法を工程順に示す断面図である。
【図１１】図９（ｃ）に相当する平面図である。
【図１２】量子ドット３の配置を変化させた実施形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７３】
１：量子リング
２：Ｐ原子
３：量子ドット
４：電子
５：量子キュービット
１０、１０ａ：半導体基板
１１、１２、１３、１９：酸化膜
２２：探針
２７：溝
３６：半導体膜
５０：キャップ膜
５５、５６：ドーパント
５７：エピタキシャル層
【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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