(57)【要約】【課題】量子ビット演算素子及びそれを用いた量子ビット演算方法に関し、量子ビット演算を選択的に行わせることを目的とする。【解決手段】半導体からなる複数個の量子ドットと、各量子ドットに対して個別に電圧を印加する複数個の電極を備えるように構成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体からなる複数個の量子ドットと、
各量子ドットに対して個別に電圧を印加する複数個の電極と、
を備えることを特徴とする量子ビット演算素子。
【請求項２】
磁場を印加した状態で量子ドットごとに電極を介して選択的に電圧を印加し、電圧値により決定されるｇ因子と磁場強度によって定まるゼーマン分離エネルギーに共鳴する光パルスを照射することにより、各量子ドットの電子スピンを選択的に遷移させることを特徴とする請求項１記載の量子ビット演算素子を用いた量子ビット演算方法。
【請求項３】
第１の半導体からなる複数個の第１の量子ドットと、
該第１の半導体よりエネルギーギャップの小さな第２の半導体からなり、該第１の量子ドットの各々とバリア層を隔てて相対する位置に積層された複数個の第２の量子ドットと、
該バリア層を隔てて相対する一対の第１の量子ドットと第２の量子ドットをそれぞれ１個の量子ビットと見なしたとき、各量子ビットに対して個別に電圧を印加する複数個の電極を備え、
同一量子ビット内で第１の量子ドットと第２の量子ドット間の距離は電子スピンの遷移が可能な程度に設定され、
隣接する量子ビット間の距離は、双方の量子ビットに属する第１の量子ドット間で電子スピンの遷移が生ぜず第２の量子ドット間で電子スピンの遷移が生じるように設定されていることを特徴とする量子ビット演算素子。
【請求項４】
量子ビットごとに電極を介して選択的に電圧を印加し、その電圧値によって定まるエネルギー準位差に共鳴する光パルスを照射することにより、隣接する量子ビット間で電子スピンを選択的に遷移させることを特徴とする請求項３記載の量子ビット演算素子を用いた量子ビット演算方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子ビット演算素子及びそれを用いた量子ビット演算方法に関し、特に半導体材料により形成した量子ドットを用いた量子ビット演算素子及びそれを用いた量子ビット演算方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の高速・高密度化は、従来、主としてパターン寸法の微細化によって進められてきた。しかし、最小寸法がサブミクロンに達した現在、パターンの微細化は、逆に様々な量子効果をひき起こしてデバイス特性の向上を妨げる要因となり、微細化によるデバイス特性の向上が難しくなっている。そこで、量子効果を積極的に利用したいわゆる量子コンピュータが注目されている。
【０００３】
量子コンピュータでは、情報の記憶や演算を行う基本構成単位として”量子ビット”が用いられる。量子ビットはエネルギーの大きな状態と小さな状態の２つの状態を有する２準位系であるが、従来の”ビット”が２つの状態のいずれかを確定的にとるのに対し、２つの状態を確率的に重ね合わせた状態を保持するものであり、情報をこのような２準位状態に置き換えて情報の記憶及び演算を行わせることができる。
【０００４】
量子コンピュータでは、上述した量子ビットを用いた１量子ビット演算及び２量子ビット演算を組み合わせることにより任意の量子演算を実現できることが知られている。ここで，１量子ビット演算は１個の量子ビットが有する２つの状態の間の遷移を制御することにより行われる。また、２量子ビット演算として、１個の量子ビットの状態によってもう１個の量子ビットの状態を制御するいわゆる制御ＮＯＴゲートが知られている（特開２００１−１４４２８３）。
【０００５】
また、この制御ＮＯＴゲートは、２個の量子ビットの状態の入れ換えを行う交換ゲート、この交換ゲートにおける量子ビットの状態の入れ換えに要する時間の半分の時間で入れ換えを行う半交換ゲート及び前述の１量子ビット演算ゲートを組み合わせて実現できることが知られている（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ａ　５７，　１２０，　１９９８）。
【０００６】
以上のような量子ビット演算を実際に行わせるための物理的実体として半導体材料で形成した量子ドットを用いる方法が提案されており、たとえば、量子ドットに注入された電子スピンの遷移を光照射で制御することにより演算を行う方法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、量子ドットに注入された電子スピンの遷移に要するエネルギーは量子ドットの物理的特性、即ち、量子ドットの形状や大きさ、材料等に影響されて変化しその制御が極めて困難である。そのため、量子ドットを用いて行う従来の量子ビット演算は演算対象となる量子ビットの確実な選択が難しく、これが量子コンピュータの実用化を妨げる大きな原因になっている。
【０００８】
そこで、本発明は量子ドットを用いた量子ビット演算を選択的に行わせることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係る量子ビット演算素子は、半導体からなる複数個の量子ドットと、各量子ドットに対して個別に電圧を印加する複数個の電極とを備えている。
これにより、１量子ビット演算を行わせるための量子ドットを任意に選択することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る量子ビット演算方法は、磁場を印加した状態で上記量子ドットごとに電極を介して選択的に電圧を印加し、電圧値により決定されるｇ因子と磁場強度によって定まるゼーマン分離エネルギーに共鳴する光パルスを照射することにより、各量子ドットの電子スピンを選択的に遷移させるものである。
【００１１】
これにより、任意の量子ドットに磁場と電圧を印加して選択し、その選択した量子ドットが有する２つの状態間の遷移を制御することにより１量子ビット演算を行わせることが可能となる。
また、本発明の請求項３に係る量子ビット演算素子は、第１の半導体からなる複数個の第１の量子ドットと、該第１の半導体よりエネルギーギャップの小さな第２の半導体からなり、該第１の量子ドットの各々とバリア層を隔てて相対する位置に積層された複数個の第２の量子ドットと、該バリア層を隔てて相対する一対の第１の量子ドットと第２の量子ドットをそれぞれ１個の量子ビットと見なしたとき、各量子ビットに対して個別に電圧を印加する複数個の電極を備え、同一量子ビット内で第１の量子ドットと第２の量子ドット間の距離は電子スピンの遷移が可能な程度に設定され、隣接する量子ビット間の距離は、双方の量子ビットに属する第１の量子ドット間で電子スピンの遷移が生ぜず第２の量子ドット間で電子スピンの遷移が生じる程度に設定されている。
【００１２】
これにより、２量子ビット演算を行わせるため２個の量子ドットにより構成された量子ビットを任意に選択することが可能となる。
また、本発明の請求項４に係る量子ビット演算方法は、量子ビットごとに電極を介して選択的に電圧を印加し、その電圧値によって定まるエネルギー準位差に共鳴する光パルスを照射することにより、隣接する量子ビット間で電子スピンを選択的に遷移させるものである。
【００１３】
これにより、隣接した２個の量子ビットを選択し、その選択した量子ドット間で２量子ビット演算を行わせることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例に係る量子ビット演算素子の模式断面図を示したものであり、ＧａＡｓ等からなる半導体基板１上でバリア層２、３に挟まれて量子ドット４、５が同一平面上に形成され、各量子ドット４、５に対してはその直上に設けられた電極６、７を通して電圧が印加可能にされている。また、半導体基板１は電極８を通して接地されている。バリア層２、３はＡｌＧａＡｓ等の半導体材料を用いてＭＯＣＶＤ法等により成膜され、量子ドット４、５はＩｎＡｓ等の半導体材料を用いＳＴＭを用いた微細加工法あるいは自己組織化法等の良く知られた方法により数ｎｍから数十ｎｍ程度のサイズで形成される。
【００１５】
図２は上述した量子ビット素子を用いた１量子ビット演算の原理を説明するためのエネルギーバンド図である。
一般に、量子ドットに単一の電子スピンを注入し、磁場Ｈを印加すると電子エネルギーはゼーマン効果により分離する。このゼーマン分離エネルギーは、
ΔＥ＝ｇμＨ（μは定数）
で表わされる。ここで、ｇ因子は材料や結晶方位等によって決まる量であり、２種類の半導体材料に跨がって電子の波動関数が存在する場合には電圧制御で波動関数に偏りを生じさせることでその実効値を変化させることができる。従って、量子ドットに磁場を印加した状態で電圧を印加すると、ｇ因子が印加電圧値に応じた値を取りゼーマン分離エネルギーΔＥが変化する。
【００１６】
図２（ａ）は電圧印加無しの場合、（ｂ）は電圧印加有りの場合を示しており、電圧印加の有無によりゼーマン分離エネルギーが異なる値を持つことを示している。そこで、印加電圧値によって決定されるｇ因子と磁場強度によって定まるゼーマン分離エネルギーΔＥ’に共鳴する光パスル　ｈνを照射することにより、電圧が印加された量子ドットについてのみ選択的に電子スピンを遷移させることができる。これにより、任意の量子ビットに対する１量子ビット演算を各量子ドットごとに設けた電極に対する電圧印加の有無で選択的に実施することが可能となる。
【００１７】
図３は本発明の他の実施例に係る量子ビット演算素子の模式断面図を示したものである。同図に見られるように、ＧａＡｓ等の半導体基板１１上でバリア層１２、１３、１４、１５に挟まれて第１の量子ドット１６、１７と第２の量子ドット１８、１９が積層形成されており、第１の量子ドット１６、１７と第２の量子ドット１８、１９は各々バリア層１３を隔てて縦方向に同じ位置に配置される。
【００１８】
バリア層１２、１３、１４、１５、第１の量子ドット１６、１７、第２の量子ドット１８、１９は図１に示した量子ビット演算素子と同様な材料を用い、同様な方法で形成される。同図中のエネルギーバンド図に示したように、第１の量子ドット１６、１７は第２の量子ドット１８、１９よりエネルギーバンドギャップの狭い半導体材料を用いて形成され、たとえば、ＩｎＧａＡｓとＩｎＡｓの組み合わせあるいはＩｎＡｌＡｓとＩｎＡｓの組み合わせを用いる。
【００１９】
また、図３中点線で囲んだ第１の量子ドット１６と第２の量子ドット１８の組、第１の量子ドット１７と第２の量子ドット１９の組をそれぞれ１個の量子ビット２０、２１と見なし、各量子ビット２０、２１に対して個別に電圧を印加する電極２２、２３を設ける。そして、各電極２２、２３に対し個別に電圧を印加できるようにする。また、半導体基板１１の裏面は電極２４を通して接地される。
【００２０】
なお、上述の量子ビット２０、２１は、後で述べることから明らかなように必ずしも２準位系を構成するものではないが、それぞれ演算単位として一体的に捉えることができるため、便宜上量子ビットと称することにする。また、図３には同一平面上に量子ビットが２個配置されている例を示しているが、通常は多数の量子ドットがマトリクス状に配置される。
【００２１】
各量子ビット内の第１の量子ドットと第２の量子ドットはバリア層１３を隔てて相対する位置に積層されるため、その間の距離はバリア層１３の層厚によって決められる。ここで、バリア層１３の層厚は第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で電子スピンの遷移が可能な程度の層厚、たとえば１０ｎｍ程度に設定される。
図４は各量子ビット２０、２１に属する第１の量子ドット１６、１７に対するエネルギーバンド図及び第２の量子ドット１８、１９に対するエネルギーバンド図を示しており、図中２５、２６で示した線はそれぞれ第１の量子ドット１６、１７の電子波動関数、２７、２８は第２の量子ドット１８、１９の電子波動関数の広がりを概念的に示したものである。
【００２２】
一般に、量子ドット中の電子の波動関数の広がりは量子ドットを構成する半導体材料のバンドギャップに依存し、バンドギャップが大きくなると波動関数の広がりが大きくなることが知られている。本発明では、第１の量子ドット１６、１７は第２の量子ドット１８、１９よりバンドギャップの狭い半導体材料を用いて形成されており、そのため、第１の量子ドット１６、１７間における電子波動関数の重なりに比べて第２の量子ドット１８、１９間における電子波動関数の重なりが大きくなっている。そこで、第１の量子ドット１６、１７間で電子スピンの遷移が生ぜず第２の量子ドット１８、１９間で電子スピンの遷移が生じる程度に、隣接する量子ビット２０、２１間の距離を設定した。
【００２３】
図５は図３に示した隣接する量子ビット２０、２１間で行われる２量子ビット演算の過程を説明するエネルギ−バンド図であり、図中の番号は図３に示した量子ドットに対応している。
まず、図５中Ａで示したように、量子ビット２０内で第１の量子ドット１６から第２の量子ドット１８へ電子スピンを遷移させる。ここで、第１の量子ドット１６の電子スピンは、先に述べた１量子ビット演算と同様な過程により既に確定された状態となっている。電子スピンの遷移は図６を参照して以下述べるように、量子ドット２０の直上に設けられた電極２２への電圧印加の有無で選択的に行わせることができる。
【００２４】
図６は量子ビット２０を構成する第１の量子ドット１６と第２の量子ドット１８に対するエネルギ−バンド図を示したものであり、（ａ）は電圧印加無しの場合、（ｂ）は電圧印加有りの場合を示している。同図に見られるように、電圧印加の有無によって第１の量子ドット１６と第２の量子ドット１８間で電子スピンの遷移エネルギ−が変化する。即ち、図６（ａ）に示したように、電圧が印加されていない時の電子スピンの遷移エネルギーをΔＥとしたとき、電圧Ｖが印加された時の電子スピンの遷移エネルギーは、図６（ｂ）に示したようにΔＥ’＝ΔＥ−ｅＶに変化する。従って、電圧印加時の電子スピンの遷移エネルギーΔＥ’に共鳴する光パルス　ｈνを照射すると、電圧が印加された場合にのみ電子スピンを第１の量子ドット１６から第２の量子ドット１８へ選択的に遷移させることができる。同様にして隣接する量子ビット２１内においても第１の量子ドット１７から第２の量子ドット１９へ電子スピンを選択的に遷移させることができる。
【００２５】
ついで、図５中Ｂで示したように、量子ビット２０、２１の第２の量子ドット１８、１９間で電子スピンの相互作用により量子演算、たとえば電子スピンの入れ換えが実施される。これは先に述べたように隣接する量子ドット２０、２１間の距離を第２の量子ドット１８、１９間で電子スピンの遷移が生じる程度に設定することにより可能となる。
【００２６】
ついで、図６中Ｃで示したように、光バルスを照射することにより第２の量子ドット１８から第１の量子ドット１６へ電子スピンを遷移させる。同様にして、第２の量子ドット１９から第１の量子ドット１７へ電子スピンを遷移させる。これは図５中Ａで示した過程と逆の過程である。
以上の過程において、電子スピンが遷移する確率は入射する光パルスの時間積分強度に依存して変動する。そこで、光パルスの強度あるいは時間幅を適当な値に設定することにより電子スピンが遷移するタイミングを制御して交換ゲートの機能を変化させ、これらの交換ゲートを組み合わせることにより制御ノット演算を実施し、さらに、１量子ビット演算と組み合わせると任意の量子演算が実現される。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、各量子ドットに印加する電圧の有無で選択的に電子スピンの遷移を制御することができるので、量子ドットの形状や大きさがばらついている場合にも量子ビット演算を安定且つ選択的に行わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る量子ビット演算素子の模式断面図。
【図２】１量子ビット演算の原理を説明するエネルギーバンド図。
【図３】本発明の他の実施例に係る量子ビット演算素子の模式断面図。
【図４】量子ビット演算素子を説明するエネルギーバンド図。
【図５】２量子ビット演算の演算過程を説明するエネルギーバンド図。
【図６】電子スピンの遷移過程を説明するエネルギーバンド図。
【符号の説明】
１、１１　半導体基板
４、５　量子ドット
６、７、８、２２、２３、２４　電極
１６、１７　第１の量子ドット
１８、１９　第２の量子ドット
２０　第１の量子ビット
２１　第２の量子ビット
【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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