(57)【要約】【課題】新たな制御ラインを設けるなど構造を複雑とすることなく、磁束量子ビットの制御のための磁場による影響を低減できるようにする。【解決手段】超伝導体から構成された磁束転送器１０１のループを、カーボンナノチューブ１１０をチャネルとしたジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）１０２で接合し、磁束転送器１０１に流れる超伝導電流を、ＪＯＦＥＴ１０２でオンオフする。ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電極１０３ａに電圧をかけることで、カーボンナノチューブ１１０における超伝導電流のキャリア（クーパー対）の濃度を変化させ、カーボンナノチューブ１１０を流れる超伝導電流を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの磁束量子ビット間に相互作用を作用させる磁束転送器において、
前記磁束転送器に流れる超伝導電流を制御するジョセフソン接合電界効果トランジスタを備え、
前記ジョセフソン接合電界効果トランジスタは、
前記磁束転送器に両端が接続するカーボンナノチューブと、
このカーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極と
を備えることを特徴とする磁束転送器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ビットを用いた量子コンピュータに用いられる磁束転送器に関する。
【背景技術】
【０００２】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットは、量子力学的な｜０＞状態と｜１＞状態の重ね合わせ状態で表される。この状態は、実験的には、量子的な二準位系にあたり、例えば、磁束量子ビットを用いることで実現可能である。
磁束量子ビットは、固体素子を用いた量子ビットの一種ではあるが、素子に超伝導体を使っており、超伝導ギャップの存在のため環境の影響を受けにくいと考えられている。また、磁束のノイズは電荷のノイズに比べて少ないので、この点においても磁束量子ビットは有利である。このため、磁束量子ビットは、集積化に有利でかつ環境の影響も受けにくい理想的な量子ビットであると考えられている。
【０００３】
一方、量子コンピュータにおける演算は、量子コンピュータを構成している量子系の時間発展になる。１つの量子ビットの演算である位相シフタと呼ばれる演算と、２つの量子ビットの演算である制御ＮＯＴと呼ばれる演算とが行えれば、原理的にすべて演算が可能であることが示されている。２つの量子ビットの演算のためには、２つの量子ビットが量子もつれ合い状態(entangled state)にある必要がある。２つの量子ビットが量子もつれ合い状態にあるためには、２つの量子ビット間に相互作用が必要となる。
【０００４】
量子コンピュータにおける基本要素となる量子ビットに磁束量子ビットを用いた場合、磁束量子ビット間の相互作用を制御するためには、超伝導体から構成された制御可能な磁束転送器が用いられる。
磁束転送器を介して２つの磁束量子ビットを接続することで、磁束転送器を流れる超伝導ループ電流を通じ、２つの磁束量子ビットの間に磁気的な相互作用を持たせることが可能となり、２つの磁束量子ビットの量子もつれ合い状態が実現できる。
【０００５】
一方の磁束量子ビットにおける磁束の変化は、磁束転送器に超伝導ループ電流が流れると、他方の磁束量子ビットの変化を引き起こすことになる。磁束量子ビットの状態が磁場依存性を示すことを考慮すると、上述した状態は、一方の量子ビットの状態が他方の量子ビットの状態に変化を与え、相互作用を持つことを意味する。言い換えると、一方の量子ビットの量子力学的な「｜０＞状態」又は「｜１＞状態」により、他方の量子ビットの状態も影響を受ける。この逆も同様である。
【０００６】
従って、磁束転送器に、超伝導電流が流れる状態と超伝導電流が流れない状態との２つの状態を形成することによって、磁束量子ビット間の相互作用を制御することが可能となる（特許文献１，非特許文献１参照）。
図３は、２つの磁束量子ビットから構成された量子コンピュータの一部構成の例を示す平面図である。
【０００７】
図３に一部を示す量子コンピュータは、超伝導体から構成された磁束転送器３０１、ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ：切り換え手段）３０２、ＪＯＦＥＴ３０２のゲート電極に接続するゲート配線３０３、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂ、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂの状態を読み出すＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device：読み出し手段）３０５を備えている。
【０００８】
また、図３に示す構成では、磁場を作り出すことで各々の磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂの状態を制御する制御ライン３０６ａ，３０６ｂを備えている。磁束転送器３０１は、ＪＯＦＥＴ３０２の電極部３０１ａ，３０１ｂに接続している。また、各磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂは、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合３１４，３１５から構成されている。
【０００９】
上述した構成は、図示していない半導体基板上に絶縁膜を介して形成されている。また、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂ及びＳＱＵＩＤ３０５は、例えばアルミニウムやニオブなどの、低温にすることで超伝導性を示す材料から構成されている。同様に、磁束転送器３０１は、ニオブから構成され、幅１μｍ程度とされている。また、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂは、例えば、約５μｍ角（平面視）に形成されている
【００１０】
図３に示す構成では、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂが作り出す磁束をＳＱＵＩＤ３０５で読み出すことで、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂが、「｜０＞状態」と「｜１＞状態」とのどちらの状態となっているかを検出することができる。また、制御ライン３０６ａ，３０６ｂに電流を流すことで、制御ライン３０６ａ，３０６ｂの周りに磁場を発生させることにより、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂを、「｜０＞状態」，「｜１＞状態」，及び量子力学的な重ね合わせの状態のいずれかに制御できる。
加えて、ＪＯＦＥＴ３０２のゲート電極に印加するゲート電圧により、ＪＯＦＥＴ３０２における超伝導電流の流れを制御できる。
【００１１】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００３−０６７１８１号公報
【非特許文献１】T.Akazaki, H.Takayanagi, J.Nitta, and T.Enoki, "A Josephson field effect transistor using an InAs-inserted-channel In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As inverted modulation-doped structure", Appl. Phys. Lett., vol.68, pp418-419,1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、上述した従来の構成では、十分な超伝導ループを得るために、ＪＯＦＥＴ３０２と磁束転送器３０１とが接続する電極部３０１ａ，３０１ｂの幅が、最低でも１０μｍ程度必要となる。これは、磁束転送器３０１のループ部分の電極幅１μｍに比較して大きい。前述したように、磁束量子ビット３０４ａ，３０４ｂの制御は、制御ライン３０６ａ，３０６ｂにより発生する磁場により行っているため、ＪＯＦＥＴ３０２の接合部分の幅が広いと、接合部分へ磁場が容易に進入する。
【００１３】
磁場が進入すると、ＪＯＦＥＴ３０２の臨界電流が減少する。例えば、接合部分の幅を４０μｍとしても、最大超伝導臨界電流Ｉｃは、５μＡ程度しか得られていない（非特許文献１参照）。従って、ＪＯＦＥＴ３０２に対する磁場の進入は、可能な限り抑制した方がよい。磁場の進入を抑制するためには、図３に示すように、ＪＯＦＥＴ３０２の近傍に制御ライン３０８を設け、進入しようとする磁場を打ち消せばよい。しかしながら、制御ライン３０８を設けるため、構造が複雑となる。
【００１４】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、新たな制御ラインを設けるなど構造を複雑とすることなく、磁束量子ビットの制御のための磁場による影響を低減できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る磁束転送器は、磁束転送器に流れる超伝導電流を制御するジョセフソン接合電界効果トランジスタを備え、ジョセフソン接合電界効果トランジスタは、磁束転送器に両端が接続するカーボンナノチューブと、このカーボンナノチューブにゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極とを備える。
上記磁束転送器によれば、カーボンナノチューブがジョセフソン接合電界効果トランジスタのチャネルとなる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明では、カーボンナノチューブをチャネルとするジョセフソン接合電界効果トランジスタにより磁束転送器に流れる超伝導電流をＯＮ、ＯＦＦするようにした。この結果、本発明によれば、磁束転送器との接合部分の幅を、カーボンナノチューブとの接合幅程度にまで小さくできるようになり、新たな制御ラインを設けるなど構造を複雑とすることなく、磁束量子ビットの制御のための磁場による影響を低減できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における磁束転送器を用いた量子コンピュータの一部（素子）構成を模式的に示す平面図である。
図１に示す素子は、超伝導体から構成された磁束転送器１０１のループを、カーボンナノチューブ１１０をチャネルとしたジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）１０２で接合し、磁束転送器１０１に流れる超伝導電流を、ＪＯＦＥＴ１０２で、導通と遮断の切り替えなどの制御を行うようにしたものである。
【００１８】
カーボンナノチューブ１１０は、１本のカーボンナノチューブから構成してもよく、複数本のカーボンナノチューブの束から構成してもよい。また、カーボンナノチューブ１１０は、単層カーボンナノチューブであってもよく、多層カーボンナノチューブであってもよい。
【００１９】
ＪＯＦＥＴ１０２は、図２にも示すように、例えばシリコンからなる基板２０１と、この上に形成された絶縁層２０２と、絶縁層２０２の上に設けられたカーボンナノチューブ１１０と、カーボンナノチューブ１１０の上にゲート絶縁膜２０３を介して形成されたゲート電極１０３ａとから構成されている。カーボンナノチューブ１１０は、例えば鉄やコバルトなどから構成された触媒金属部２０４ａと触媒金属部２０４ｂとの間に形成されている。カーボンナノチューブ１１０は、よく知られた触媒金属を用いたＣＶＤ法により、触媒金属部２０４ａと触媒金属部２０４ｂとの間に形成すればよい。
【００２０】
図２に示すように構成されたＪＯＦＥＴ１０２のゲート電極１０３ａには、図１に示すようにゲート配線１０３が接続され、磁束転送器１０１の超伝導金属から構成されたループは、電極部１０１ａ，１０１ｂを介してカーボンナノチューブ１１０の両端部に接続している。これらの接続は、オーミック接続（接触）となっていればよい。
また、ゲート電極１０３ａは、ゲート絶縁膜２０３を設けることなく、所定の間隙をあけてカーボンナノチューブ１１０に近設してもよい。この場合、間隙がゲート絶縁層となる。また、基板２０１の内部に高濃度不純物領域を設け、高濃度不純物領域をゲート電極としてもよい。
【００２１】
また、磁束転送器１０１のループにより、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが互いに相互作用可能な状態とされ、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態が、ＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device）１０５により読み出される。ＳＱＵＩＤ１０５は、トンネル絶縁部下らなるジョセフソン接合１１５から構成されている。また、図１に示す素子では、磁場を作り出すことで各々の磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂの状態を制御する制御ライン１０６ａ，１０６ｂを備えている。各磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、トンネル絶縁部からなるジョセフソン接合１１４から構成されている。
【００２２】
図１に示す各構成は、図２に示す基板２０１の上に絶縁層２０２を介して形成されている。また、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂ及びＳＱＵＩＤ１０５は、例えばアルミニウムやニオブなどの、低温にすることで超伝導性を示す材料から構成されている。同様に、磁束転送器１０１は、ニオブから構成され、幅１μｍ程度とされている。また、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂは、例えば、約５μｍ角（平面視）に形成されている
【００２３】
上述した図１に示す素子では、ゲート電極１０３ａに電圧をかけることでカーボンナノチューブ１１０における超伝導電流のキャリア（クーパー対）の濃度を変化させ、カーボンナノチューブ１１０を流れる超伝導電流を制御する。
図１に示す構成では、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが作り出す磁束をＳＱＵＩＤ１０５で読み出すことで、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂが、「｜０＞状態」と「｜１＞状態」とのどちらの状態となっているかを検出することができる。
【００２４】
一方、制御ライン１０６ａ，１０６ｂに電流を流すことで、制御ライン１０６ａ，１０６ｂの周りに磁場を発生させることにより、磁束量子ビット１０４ａ，１０４ｂを、「｜０＞状態」，「｜１＞状態」，及び量子力学的な重ね合わせの状態のいずれかに制御できる。また、ＪＯＦＥＴ１０２のゲート電極１０３ａに印加するゲート電圧により、ＪＯＦＥＴ１０２における超伝導電流の流れを制御できる。
【００２５】
ここで、ＪＯＦＥＴ１０２のカーボンナノチューブ１１０に流れる超伝導電流について考察する。例えば、径（幅）が２３ｎｍ程度の束にした単層カーボンナノチューブに、２．５μＡの最大超伝導臨界電流Ｉｃが流れることが確認されている（非特許文献：A.Yu. Kasumov,R.Deblock, M.Kociak, B.Reulet, H.Bouchiat, I.I.Khodos, Yu.B.Gorbatov, V.T.Volkov, C.Journet, and M.Burghard, "Supercurrents Through Single-Walled Carbon Nanotubes" Science, vol.284, pp.1508-1511, 28 May 1999.）。
【００２６】
従って、図１，２に示す構成とすることで、ＪＯＦＥＴ１０２と接続する電極部１０１ａ，１０１ｂの幅を、非常に狭くすることが可能となる。例えば、図３に示した従来の構成では、接続の幅が４０μｍ程度必要となっていたが、本実施の形態によれば、１０００分の一以下の接合幅とすることが可能となる。従って、本実施の形態によれば、制御ライン１０６ａ，１０６ｂより発生する磁場のＪＯＦＥＴ１０２に対する影響を、著しく低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態における磁束転送器を用いた量子コンピュータの一部（素子）構成を模式的に示す平面図である。
【図２】ＪＯＦＥＴ１０２の構成を模式的に示す概略的な断面図である。
【図３】従来よりある磁束転送器を用いた量子コンピュータの一部構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…磁束転送器、１０２…ジョセフソン接合電界効果トランジスタ（ＪＯＦＥＴ）、１０３…ゲート配線、１０３ａ…ゲート電極、１０４ａ，１０４ｂ…磁束量子ビット、１０５…ＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device）、１０６ａ，１０６ｂ…制御ライン、１１０…カーボンナノチューブ、１１４，１１５…ジョセフソン接合、２０１…基板、２０２…絶縁層、２０３…ゲート絶縁膜、２０４ａ，２０４ｂ…触媒金属部。
【図１】
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【図２】
2005260025.tif 000004
【図３】
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