(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された第１絶縁膜と、
上記第１絶縁膜上に配置されたシリコン単結晶微粒子と、
上記第１絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子を挟んで形成された第２絶縁膜と、
上記第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に形成された金属電極を備えて、
上記シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。
【請求項２】
基板上に形成された第１絶縁膜と、
上記第１絶縁膜上に配列された複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列と、
上記第１絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで形成された第２絶縁膜と、
上記第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備えて、
上記各シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。
【請求項３】
請求項１あるいは請求項２に記載の量子演算素子において、
上記シリコン単結晶微粒子を構成しているシリコン原子は、同位体28Ｓiと同位体30Ｓiとからなることを特徴とする量子演算素子。
【請求項４】
請求項３に記載の量子演算素子において、
上記各シリコン単結晶微粒子の直径は、１０nm以下であることを特徴とする量子演算素子。
【請求項５】
請求項２に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成されていることを特徴とする量子演算素子。
【請求項６】
請求項２に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の全体を覆って形成されていることを特徴とする量子演算素子。
【請求項７】
請求項６に記載の量子演算素子において、
上記金属膜で覆われるシリコン単結晶微粒子列は複数であることを特徴とする量子演算素子。
【請求項８】
請求項２に記載の量子演算素子において、
上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の一部を覆って形成されていることを特徴とする量子演算素子。
【請求項９】
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んで成ることを特徴とする集積回路。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んで成ることを特徴とする集積回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子スピンと原子核スピンとの相互作用を利用して演算を実行する量子演算素子、および、この量子演算素子が搭載された集積回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術の進展に伴って、２５０nm〜１８０nmの最小加工線幅を有する半導体集積回路の量産が可能になってきている。微細加工技術は今後も３年から４年毎に世代を更新し、３０nm程度の最小加工線幅を有する半導体集積回路の開発計画がなされている。尚、実験レベルでは、１０nm程度の最小加工線幅が可能になっている。
【０００３】
一方において、固体物理学の分野においては、固体中の不純物原子の原子核とその原子核に補足されている電子との間で、所謂電子‐核二重共鳴現象が生ずることが知られている。
【０００４】
従来、上記電子‐核二重共鳴現象を利用した固体素子として、図８に素子構造を示すようなものが知られている（B.E.Kane,「A silicon-based nuclear spin quantum computer」Nature，vol.393，pp.133-137，14May 1998.)。
【０００５】
図８において、１はＡゲート、２はＪゲートと呼ばれるゲートである。また、３,５は絶縁物層であり、４はシリコン単結晶層である。また、６は支持基板である。シリコン単結晶層４のシリコン原子は、原子核スピン量子数が０の同位体28Ｓi,30Ｓiだけからなっており、原子核スピン量子数が１/２の同位体29Ｓiは除去されている。
【０００６】
また、上記シリコン単結晶層４の中にはドナー原子核７が導入されている。リン原子の自然同位体は31Ｐが１００％であり、原子核スピン量子数は１/２である。したがって、シリコン単結晶層４の中に導入されているドナー原子核７としてリン原子の原子核を用いることによって、その原子核スピンを測定することが可能となる。本固体素子を十分な低温下に置くと、自由電子はドナー原子核７の周囲に束縛されるようになる。８は、ドナー原子核７に束縛された電子の波動関数の確率密度(所謂電子雲であり、以下においては電子雲と記述する)を示している。
【０００７】
上記リン原子は、シリコン中ではドナーとなる。ドナー原子には５個の電子があり、このうちの４個は結晶の共有結合に含まれて反磁性となっているが、５番目の電子はスピンＳ＝１/２の常磁性中心となって捕らえられている。上記ドナー電子の波動関数は中心のドナー原子を占めるだけではなく、数百個のシリコン原子の上にまで広がっている。シリコンの原子核スピンは超微細構造をさらに付加する。この現象は、電子スピンと核磁気の二重共鳴(ＥＮＤＯＲ)として観測できる。
【０００８】
静磁場Ｂ0のもとでは、イオンのエネルギー準位は主に電子準位のゼーマンエネルギー分裂によって決定される。つまり、電子のスピン量子数ｍs＝±１/２でエネルギーの高い準位と低い準位とが決まる。超微細相互作用は、エネルギー準位を更に細かく分裂させる。つまり、原子核のスピン量子数ｍl＝±１/２でエネルギーの高い準位と低い準位とに分れる。電子の遷移には２種類あり、それらは原子核のスピン量子数がｍl＝−１/２の場合とｍl＝＋１/２の場合に相当する。夫々の遷移の振動数をω1,ω2とすると、ω1＝γＢ0−ａ/２(ｈ/２π),ω2＝γＢ0＋ａ/２(ｈ/２π)である。尚、ω1はｍl＝−１/２のときのｍs＝±１/２間での遷移であり、ω2はｍl＝＋１/２のときのｍs＝±１/２間での遷移である。ここで、ａは超微細構造定数であり、γは定数で磁気回転比であり、ｈはプランク定数である。
【０００９】
このような状態においては、上記ドナー原子核７の原子核スピン角運動量と電子の電子スピン角運動量との和が角運動量保存則に従って保存される。電子スピンと原子核スピンとは、所謂超微細相互作用によって互いに相関関係を持っている(例えば、キッテル著「固体物理学入門(下)」,丸善)。
【００１０】
スピンは、よく知られているように２状態に量子化された物理量であり、＋１/２と−１/２との量子数を持つことができる。その結果、図８に示す固体素子を一定の静磁場中に置くと、スピンの違いが共鳴周波数の違いとして現れる。したがって、リン原子核のスピン量子数「＋１/２」と「−１/２」とに情報「０」および情報「１」の何れかを割り当てた際に、上記共鳴周波数を測定することによって、上記固体素子に記憶された情報の内容を知ることができるのである。
【００１１】
図９(a)は、図８に示す固体素子におけるＡゲート１の電位を上昇させた場合の状態を示している。電子雲９a,９bは、Ａゲート１側に引き寄せられる。このとき、さらに一方のＪゲート２aの電位を上昇させると、図９(b)に示すように、二つの電子雲１０a,１０bの端部はＪゲート２a下において互いに重なり合うことになる。尚、今一つのＪゲート２bの電位は上昇させていない。この場合、電子雲１０aと電子雲１０bとは重なり合って一つの電子雲１１を構成しているため、元々電子雲９aと電子雲９bとに個別に拘束されていた電子は、新たにできた一つの電子雲１１中の何処かに存在していることになる。
【００１２】
このように、図８に示す固体素子においては、Ｊゲート２の電位を操作することによって、あるドナー原子核７bのスピン状態を次々に隣り合ったドナー原子核７aへと伝達することができる。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことが可能になるのである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の固体素子においては以下のような問題がある。すなわち、第１に、上記固体素子では、ドナー原子核７直上に位置するＡゲート１と隣接するドナー原子核７,７の中間上に位置するＪゲート２との電位を制御することによって、所望の演算操作を行うようにしている。したがって、Ａゲート１を形成する場合には、シリコン単結晶層４をエピタキシャル成長させる途中で所謂デルタドープ法を用いて導入されたドナー原子の上部に形成する必要がある。そこで、導入したドナー原子の位置を検出するのであるが、ドナー原子の位置は表面からの観察では検出できないために、Ａゲート１の形成が困難であるという問題がある。延いては、本固体素子の形成が困難であるという問題がある。
【００１４】
第２に、上記固体素子においては、電子がドナー原子核７の近傍に束縛されるためには、絶対０度近くの極低温にする必要があり、実用上問題がある。
【００１５】
そこで、この発明の目的は、極低温にすることなく電子をドナー原子核近傍に束縛できる製作が容易な量子演算素子、および、この量子演算素子を搭載した集積回路を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明の量子演算素子は、
基板上に形成された第１絶縁膜と、
上記第１絶縁膜上に配置されたシリコン単結晶微粒子と、
上記第１絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子を挟んで形成された第２絶縁膜と、
上記第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に形成された金属電極を備えて、
上記シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいる
ことを特徴としている。
【００１７】
上記構成によれば、シリコン単結晶微粒子には、情報「０」,「１」の何れかがリン原子核のスピン量子数として保持される。そして、上記スピン量子数を測定することによって上記保持情報が読み出される。その際に、金属電極に電位を与えてリン原子の電子雲を金属電極側に引き寄せておくと、共鳴周波数が変化する。そうすることによって、上記スピン量子数は選択的に測定できる。
【００１８】
その際に、ドナー原子としてのリン原子は、シリコン単結晶微粒子中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度で含まれており、ドナー電子はこのシリコン単結晶微粒子が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。そのため、極低温状態にすることなく電子がドナー原子核の近傍に束縛され、実用上問題なく使用される。
【００１９】
さらに、上記シリコン単結晶微粒子が量子演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、上記セルが複数在っても、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属電極が各ドナー原子上に容易に且つ正確に形成される。
【００２０】
また、第２の発明の量子演算素子は、
基板上に形成された第１絶縁膜と、
上記第１絶縁膜上に配列された複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列と、
上記第１絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで形成された第２絶縁膜と、
上記第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備えて、
上記各シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいる
ことを特徴としている。
【００２１】
上記構成によれば、複数のシリコン単結晶微粒子は、互いに接続されて一つのシリコン単結晶微粒子列を構成している。したがって、金属膜に電位を与えた場合には、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せられて上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に分離される。一方、上記金属膜に電位を与えない場合には、リンの電子雲は上記シリコン単結晶微粒子列内全体に広がる。したがって、上記金属膜の電位を制御することによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原子核スピンの交換が可能になる。
【００２２】
さらに、上記第１の発明の場合と同様に、極低温状態にすることなく電子がドナー原子核の近傍に束縛され、実用上問題なく使用できる。また、上記シリコン単結晶微粒子の夫々で成る各セルの位置は機械的形状によって決まるため、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属膜が各ドナー原子上に容易に形成される。
【００２３】
また、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28Ｓiと同位体30Ｓiのシリコン原子で構成することが望ましい。
【００２４】
上記構成によれば、上記シリコン単結晶微粒子のシリコン原子は、原子核スピン量子数が０の同位体28Ｓi,30Ｓiだけからなっており、原子核スピン量子数が１/２の同位体29Ｓiは含まれていない。したがって、自然同位体は31Ｐが１００％であって原子核スピン量子数は１/２であるリン原子の原子核スピンの違いが容易に検知される。
【００２５】
また、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を１０nm以下にすることが望ましい。
【００２６】
上記構成によれば、上記各シリコン単結晶微粒子の直径は１０nm以下であるから、不純物であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子としての上記リン原子は、上記各シリコン単結晶微粒子の中に略１個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、１個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができる(１個のシリコン単結晶微粒子の中に複数個のドナー原子核が存在すると、平均値としての操作しかできない)。
【００２７】
また、上記第２の発明の量子演算素子は、上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成することが望ましい。
【００２８】
上記構成によれば、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成された金属膜の電位を操作することによって、あるリン原子核のスピン状態が次々に隣り合ったリン原子核へと伝達される。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作が行われる。
【００２９】
また、第３の発明の集積回路は、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んで成ることを特徴としている。
【００３０】
上記構成によれば、特別な磁場印加手段を設けることなく、磁性体チップによって、集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。したがって、本集積回路単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能になる。
【００３１】
また、第４の発明の集積回路装置は、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んで成ることを特徴としている。
【００３２】
上記構成によれば、特別な磁場印加手段を設けることなく、磁性体によって、集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。したがって、本集積回路装置単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３４】
＜第１実施の形態＞
図１は、本実施の形態の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基板２１の表面に形成された第１酸化シリコン膜２２上に、シリコン単結晶微粒子２４〜２７が略等間隔に配列されている。さらに、第１酸化シリコン膜２２上には、シリコン単結晶微粒子２４〜２７を挟んで第２酸化シリコン膜２３が形成され、この第２酸化シリコン膜２３上には、各シリコン単結晶微粒子２４〜２７の位置に対応して金属電極２８〜３１が形成されている。
【００３５】
上記シリコン単結晶微粒子２４〜２７の中にはドナー原子としてリン原子３２〜３５が含まれており、夫々のリン原子３２〜３５の電子雲は、各シリコン単結晶微粒子２４〜２７内全体に広がっている。したがって、リン原子３２〜３５から離脱した電子は自由電子ではあるが、各シリコン単結晶微粒子２４〜２７中に空間的に閉じ込められており、束縛電子と同様にリン原子３２〜３５の近傍にしか存在できない。
【００３６】
上記シリコン単結晶微粒子２４〜２７の形成方法としては、例えば特開平１１‐９７６６７号公報に開示されているような方法で形成できる。また、金属電極２８〜３１の形成方法としては、通常の集積回路と同様にフォトリソグラフィで形成できる。あるいは、文献「Inoue,et.al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.73,No.14,pp.1976-1978,1998」に開示されている有機分子膜の形成方法を利用して、シリコン単結晶微粒子２４〜２７上に自己整合的に有機分子膜を形成して金属電極２８〜３１の形状に成してもよい。特に後者の方法は、シリコン単結晶微粒子２４〜２７の間隔を狭くした場合に有効である。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、上記シリコン単結晶微粒子２４〜２７の夫々が量子演算素子の基本構造(セル)を構成している。したがって、機械的形状によってセルの位置が決まり、図８に示す従来の固体素子の形成時のように、金属電極２８〜３１を形成する際にリン原子３２〜３５の位置を検出する必要がなく、量子演算素子の作成が非常に容易になる。
【００３８】
本実施の形態における量子演算素子は、図８に示す従来の固体素子と同様に、ドナー原子核と電子とのコンタクト超微細構造相互作用(コンタクト・ハイパーファイン・インタラクション)を利用する。そのためには、シリコン単結晶微粒子２４〜２７を構成するシリコンは、同位体28Ｓiと30Ｓiとだけから構成されていなければならない。
【００３９】
先ず、図１中における１つのシリコン単結晶微粒子２４に関して上記コンタクト超微細構造相互作用の説明を行う。ドナー原子(リン原子)３２の原子核の位置を原点とする極座標を考えると、電子の波動関数は関数ψ(r)と表すことができる。ここで、ｒは原点からの距離である。ドナー原子核と電子との間におけるコンタクト超微細構造相互作用エネルギーの強さは、ｒ＝０における電子の存在確率|ψ(0)|2に比例する。したがって、上記コンタクト超微細構造相互作用エネルギーを大きくするためには、電子の存在確率|ψ(0)|2を大きくしなければならない。
【００４０】
バルクのシリコン単結晶中においては、室温での電子は自由電子であり、存在確率|ψ(0)|2は事実上０である。この場合、図８に示す従来の固体素子のごとく素子全体を極めて低い温度に保持すれば、電子をドナー原子核に束縛することができ、十分に大きな存在確率|ψ(0)|2を得ることができる。典型的には、絶対温度でＴ＝１００mＫ程度に保持する。この温度においては、電子は最低エネルギー準位(ｓ状態)に束縛されている。ところで、この束縛力は弱く、第１励起準位への励起エネルギーは約１５ｍeＶであり、温度に換算すると１７４Ｋ程度である。
【００４１】
本実施の形態においては、その構造上、電子はシリコン単結晶微粒子２４の内部に閉じ込められている。そのことによって、素子全体を極低温に保持しなくとも、電子はシリコン単結晶微粒子２４が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。半径ａの微粒子中に束縛された電子の波動関数は、半径ａが十分小さいために量子サイズ効果が生ずる場合には、基底状態(ｓ状態)の波動関数は
ψ(r)＝Ｎj0(r/a)              …（１）
で表される。ここで、j0は、０次の球ベッセル関数
j0(x)＝sin(x)(１/ｘ)          …（２）
であり、ｘ＝０に極大を有する。結局、ｒ＝０における電子の存在確率は
|ψ(0)|2∝ａ-3
となるので、本実施の形態においては、微粒子の半径ａを十分小さくすることによって存在確率|ψ(0)|2を大きくできるのである。
【００４２】
また、上記ｓ状態における第１励起準位と基底準位とのエネルギー差ΔＥは、典型的な素子寸法として半径５nmの場合にΔＥ＝１３０ｍeＶ程度であり、絶対温度に換算すると１５０８Ｋとなる。すなわち、微粒子半径ａを十分小さくすることによって電子の束縛力を強くできるのである。但し、質量は、電子の静止質量をｍeo,横質量をｍt,有効質量をｍeffとして、ｍ＝(ｍeff・ｍt2)1/3＝０.３２１６ｍeoを用い、ｒ＝ａでのポテンシャル障壁の深さとしてＶ0＝３.１５eＶを用いてシュレーディンガーの方程式の動径方程式から解析的に求めた。
【００４３】
本実施の形態における量子演算素子は、このようなコンタクト超微細構造相互作用を呈するシリコン単結晶微粒子２４〜２７でなるセルを併設して構成されている。したがって、個々のセルにおいて安定的にコンタクト超微細構造相互作用を生じさせることができるのである。
【００４４】
ここで、本実施の形態における量子演算素子は、夫々のシリコン単結晶微粒子２４〜２７に「０,１」の情報をリン原子核のスピン量子数として保持するメモリとして機能する。そして、例えばシリコン単結晶微粒子２４に保持されている情報を読み出す場合には、金属電極２９〜３１に電位を与えて、図９に例示するように、シリコン単結晶微粒子２５〜２７中の電子雲を金属電極２９〜３１側に引き寄せておく。そして、その状態で上記共鳴周波数を測定することによって、シリコン単結晶微粒子２４単独で保持情報を読み出すことができるのである。
【００４５】
上述のように、本実施の形態における量子演算素子においては、シリコン基板２１上に酸化シリコン膜２２を介してシリコン単結晶微粒子２４〜２７を略等間隔に配列している。そして、シリコン単結晶微粒子２４〜２７の中にはドナー原子としてリン原子３２〜３５が含まれており、夫々のリン原子３２〜３５の電子雲は各シリコン単結晶微粒子２４〜２７内全体に広がっている。したがって、各シリコン単結晶微粒子２４〜２７半径を５nm程度に小さくすることによって、コンタクト超微細構造相互作用によって、上記ｓ状態における第１励起準位と基底準位とのエネルギー差ΔＥをΔＥ＝１３０ｍeＶ程度にでき、バルクのシリコン単結晶中における場合よりも電子を安定的に基底準位状態に留めておくことができるのである。
【００４６】
すなわち、本実施の形態によれば、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛することができ、実用上問題なく使用できるのである。
【００４７】
また、本実施の形態における量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子２４〜２７の夫々が量子演算素子のセルを構成している。そして、各セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属電極２８〜３１の夫々を各ドナー原子３２〜３５上に容易に形成することができるのである。
【００４８】
＜第２実施の形態＞
図２は、本実施の形態の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基板４１の表面に形成された第１酸化シリコン膜４２上に、シリコン単結晶微粒子列４４が形成されている。このシリコン単結晶微粒子列４４は、第１実施の形態と同様にして複数個のシリコン単結晶微粒子を略等間隔に配列して成長させる際に、個々のシリコン単結晶微粒子が互いに接触する程度まで成長させることによって形成する。また、第１酸化シリコン膜４２上には、シリコン単結晶微粒子列４４を挟んで第２酸化シリコン膜４３が形成され、この第２酸化シリコン膜４３上には、シリコン単結晶微粒子列４４の位置に対応して金属電極膜４５が形成されている。
【００４９】
そして、上記シリコン単結晶微粒子列４４を構成する個々のシリコン単結晶微粒子の中には、ドナー原子としてリン原子４６〜５０が含まれている。本量子演算素子の場合は、シリコン単結晶微粒子の半径を５nm程度に小さくすることによって、金属電極膜４５に電位を与えない状態では、図２(b)に示すように、夫々のリン原子４６〜５０の電子雲は、シリコン単結晶微粒子列４４内全体に広がっている。
【００５０】
図３は、図２における上記シリコン単結晶微粒子列４４の部分だけを示している。図３(a)は、金属電極膜４５に電位を与えた場合の電子雲の状態を示している。また、図３(b)は、金属電極膜４５に電位を与えない場合(図２(b)に相当)の電子雲の状態を示している。
【００５１】
図３(a)に示すように、上記金属電極膜４５に電位を与えた場合には、電子雲５１は金属電極膜４５側に引かれて、シリコン単結晶微粒子列４４を構成する各シリコン単結晶微粒子の境界部分の凸部４４aで電子雲５１が分離される。その場合、金属電極膜４５は、シリコン単結晶微粒子列４４を構成する全シリコン単結晶微粒子上に均等に形成されている。したがって、電子雲５１は全シリコン単結晶微粒子の個所に均等に分配されることになる。これに対して、図３(b)に示すように、上記金属電極膜４５に電位を与えない場合には、電子雲５２は、シリコン単結晶微粒子列４４内全体に広がっている。
【００５２】
そこで、上記金属電極膜４５を、第１実施の形態のごとく、上記シリコン単結晶微粒子列４４を構成する各シリコン単結晶微粒子に対応して複数形成すれば、夫々の金属電極の電位を独立して操作することによって、シリコン単結晶微粒子列４４を構成して隣り合っているシリコン単結晶微粒子中の原子核スピン間での交換相互作用の大きさを調整することができる。すなわち、例えば、ドナー原子(リン原子)４６の原子核のスピン状態を隣り合ったドナー原子４７の原子核へと伝達することができる。したがって、適切な電位の操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことができるのである。
【００５３】
尚、その場合に、制御電極としては図８に示す従来のＡゲート１に相当する夫々の金属電極のみで事足りる。したがって、従来のＪゲート２に相当する制御電極は不要になる。
【００５４】
ところで、図２に示す量子演算素子においては、上記金属電極膜４５を、シリコン単結晶微粒子列４４を構成する全シリコン単結晶微粒子上に均等に形成している。しかしながら、この発明においては、金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係は図２に示すような位置関係にある必要はなく、図４のような位置関係にあっても特に支障はない。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、各シリコン単結晶微粒子同士が十分に接触するような成長条件を使用することができる。尚、６１はシリコン基板、６２,６３は酸化シリコン膜、６４はシリコン単結晶微粒子列、６５は金属電極膜、６６はドナー原子(リン原子)である。
【００５５】
また、図５に示すように、金属電極膜７１をシリコン単結晶微粒子列７２を部分的に覆うように形成してもよい。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、シリコン単結晶微粒子の成長核の数が多い成長条件を使用することができる。また、図６に示すように、１つの金属電極膜７５を複数のシリコン単結晶微粒子列７６,７７の全体を覆うように形成してもよい。その場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、シリコン単結晶微粒子の成長核の数が少ない成長条件を使用することができる。
【００５６】
尚、上記第１実施の形態および第２実施の形態において、各シリコン単結晶微粒子の直径を１０nm以下に形成した場合には、不純物原子であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子としてのリン原子は、夫々のシリコン単結晶微粒子の中に略１個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、その場合には１個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができる。
【００５７】
これに対して、各シリコン単結晶微粒子の直径を１０nmよりも大きく形成した場合には、夫々のシリコン単結晶微粒子中に略１個だけのリン原子が存在する程度にするには、不純物原子であるリン原子を極めて低い濃度で混入しなければならず、濃度制御が困難となる。したがって、１個のシリコン単結晶微粒子の中に複数個のドナー原子核が存在することになり、平均値としての操作を行うことになる。
【００５８】
＜第３実施の形態＞
図７は、本実施の形態における俯瞰図である。第１,第２実施の形態における量子演算素子は、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スビンの操作を行う場合には、素子全体に静磁場を与え続ける必要がある。
【００５９】
そこで、本実施の形態においては、第１,第２実施の形態のごとく通常の集積回路技術を用いて量子演算素子が形成された集積回路チップ８１を、磁性体チップ８２,８３で挾んで接着するのである。こうすることによって、集積回路チップ８１の中に作り込まれた量子演算素子に、安定的に静磁場を与えることができるのである。
【００６０】
また、上記第１,第２実施の形態における量子演算素子が形成された集積回路チップのみが回路基板に載置されている場合には、当該回路基板全体を磁性体で挟んで接着してもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上より明らかなように、第１の発明の量子演算素子は、基板上に形成された第１絶縁膜上にシリコン単結晶微粒子を配置し、さらに上記シリコン単結晶微粒子を挟んで第２絶縁膜を形成し、この第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置に金属電極を形成し、上記シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいるので、ドナー原子としてのリン電子は上記シリコン単結晶微粒子が形成するポテンシャル井戸によって束縛されている。したがって、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛することができ、実用上問題なく使用できる。
【００６２】
さらに、上記シリコン単結晶微粒子が本量子演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機械的形状によって決まる。したがって、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、上記金属電極を各ドナー原子上に容易に且つ正確に形成することができる。延いては、本量子演算素子を容易に形成できるのである。
【００６３】
さらに、上記金属電極に電位を与えれば、上記シリコン単結晶微粒子中のリン原子の電子雲を上記金属電極側に引き寄せておくことができる。したがって、上記金属電極に電位を与えることによって、上記リン原子核の共鳴周波数を変調でき、所望の位置にあるセルに対して論理操作や読み出し,書き込み操作を選択的に実行できるのである。
【００６４】
また、第２の発明の量子演算素子は、基板上に形成された第１絶縁膜上に、複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列を配置し、さらに上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで第２絶縁膜を形成し、この第２絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に金属膜を形成し、上記各シリコン単結晶微粒子の中に、不純物として、上記シリコン単結晶微粒子の中に原子が１個だけ含まれていると見なすことができる濃度のリン原子を含んでいるので、請求項１の場合と同様に、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛でき、実用上問題なく使用できる。また、上記シリコン単結晶微粒子で成る各セルの位置は機械的形状によって決まるので、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、上記金属膜を各ドナー原子上に容易に形成することができる。延いては、本量子演算素子を容易に形成できるのである。
【００６５】
さらに、上記金属膜に電位を与えた場合には、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せられて上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に分離される一方、上記金属膜に電位を与えない場合には、リンの電子雲は上記シリコン単結晶微粒子列全体に広がるので、上記金属膜の電位を制御することによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原子核スピンの交換を可能にできる。
【００６６】
また、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28Ｓiと同位体30Ｓiとのシリコン原子で構成すれば、上記シリコン単結晶微粒子には、原子核スピン量子数が１/２の同位体29Ｓiは含まれていない。したがって、自然同位体は31Ｐが１００％であって原子核スピン量子数は１/２であるリン原子の原子核スピンの違いを、容易に検知することができる。
【００６７】
また、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を１０nm以下にした場合には、不純物原子であるリン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子は上記各シリコン単結晶微粒子の中に略１個だけ含まれていると見なすことができる。したがって、１個の原子核スピンを独立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することができるのである。
【００６８】
また、上記第２の発明の量子演算素子は、上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成すれば、上記複数の金属膜の電位を操作することによって、あるリン原子核のスピン状態を次々に隣り合ったリン原子核へ伝達することができる。したがって、適切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作を行うことができる。
【００６９】
また、第３の発明の集積回路は、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性体チップで挟んでいるので、特別な磁場印加手段を設けることなく、また電力を要さずに、上記磁性体チップによって、上記集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場を安定して与え続けることができる。すなわち、この発明によれば、本集積回路単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能である。
【００７０】
また、第４の発明の集積回路装置は、上記第１あるいは第２の発明の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載された回路基板を、磁性体で挟んでいるので、特別な磁場印加手段を設けることなく、上記磁性体によって、上記集積回路チップ上の量子演算素子全体に静磁場を安定して与え続けることができる。したがって、この発明によれば、本集積回路装置単体で、コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の量子演算素子における断面模式図である。
【図２】  図１とは異なる量子演算素子の断面模式図である。
【図３】  図２における電子雲の状態変化を示す図である。
【図４】  図２とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図５】  図２および図４とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図６】  図２,図４および図５とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。
【図７】  図１〜図６に示す量子演算素子が形成された集積回路チップを磁性体チップで挾んで接着した回路チップを示す図である。
【図８】  従来の電子‐核二重共鳴現象を利用した固体素子の構造を示す図である。
【図９】  図８におけるＡゲートに電位を与え、さらに一方のＪゲートに電位を与えた場合の電子雲の状態を示す図である。
【符号の説明】
２１,４１,６１…シリコン基板、
２２,２３,４２,４３,６２,６３…酸化シリコン膜、
２４〜２７…シリコン単結晶微粒子、
２８〜３１…金属電極、
３２〜３５,４６〜５０,６６…ドナー原子(リン原子)、
４４,６４,７２,７６,７７…シリコン単結晶微粒子列、
４５,６５,７１,７５…金属電極膜、
５１,５２…電子雲、
８１…集積回路チップ、
８２,８３…磁性体チップ。
【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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