(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板に対して格子整合する第１の半導体材料よりなる蓄積層と、
前記蓄積層上に形成され、前記半導体基板に対して格子整合する第２の半導体材料よりなる下側バリア層と、
前記下側バリア層上に形成された第３の半導体材料よりなる量子ドットと、
前記下側バリア層上に、前記量子ドットを覆うように形成された、前記第２の半導体材料よりなる上側バリア層と、
前記量子ドット中に、単一のキャリアを励起する励起光源と、
前記量子ドット中のキャリアの状態を、第１の状態と第２の状態の重ね合わせ状態に遷移させるコヒーレント演算光源と、
前記量子ドット中のキャリアのコヒーレント状態を検出する検出器とを備え、
前記量子ドットに用いる第３の半導体材料は、伝導帯準位が前記上側及び下側バリア層の伝導帯準位より低く、かつ価電子帯準位が前記上側及び下側バリア層の価電子帯準位より高い材料であって、量子準位が二つ形成されており、
前記下側バリア層上に、前記量子ドットに隣接して形成された別の量子ドットを有し、前記基板上には、前記量子ドットおよび前記別の量子ドットに対し、前記基板主面に平行な方向に作用する電界を印加する電極が形成され、前記コヒーレント演算光源は、前記量子ドット中のキャリアの状態と前記別の量子ドットのキャリアの状態との各々２つの合成状態が、重ね合わせ状態の間で変化するように強度あるいはパルス幅を変化させられることを特徴とする量子コンピュータ。
【請求項２】
前記第１の半導体材料はＧａＡｓよりなり、前記第２の半導体材料はＧａＡｌＡｓよりなり、前記第３の半導体材料はＧａＳｂよりなることを特徴とする請求項１記載の量子コンピュータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に量子半導体装置に係り、特に量子半導体装置を使って実現した量子コンピュータに関する。
量子コンピュータは、系の状態をqubit と呼ばれる量子系の状態の重ね合わせで表現し、かかる重ね合わせ状態に対して演算を行なうコンピュータであり、かかる重ね合わせの数に対応した莫大な並列演算能力を有することから、将来の超小型で、しかも同時に超大規模な情報処理系において主要な役割を果たすものと期待されている。
【０００２】
【従来の技術】
量子コンピュータの概念については、従来より様々な理論的研究がなされてきているが（例えば Barenco, A., et al., "Conditional Quantum Dynamics and Logic Gates" Physical Review Letters vol. 74, Number 20, May 15, 1995, pp.4083-4086 を参照）、これを現実に実現する方法は、従来より知られていなかった。
【０００３】
典型的な２準位系あるいはスピン１／２を含む量子力学系では、qubit の状態は、｜０＞および｜１＞を直交基底関数として、
【０００４】
【数１】
0003949318.tif 000002
【０００５】
と表現され、前記係数ｃ0 ，ｃ1 は規格化数ベクトル（ｃ0 ，ｃ1 ）を形成する。かかる２準位系においては、前記状態｜０＞と状態１＞との間において系の励起を制御することにより、前記規格化数ベクトル（ｃ0 ，ｃ1 ）を回転させることができる。
さらに、このような２準位系qubit １およびqubit ２を二つ干渉させることにより、前記qubit １およびqubit ２の各々の状態の直積
【０００６】
【数２】
0003949318.tif 000003
【０００７】
として、以下の四つの状態
｜１，１＞  ｜１，０＞  ｜０，１＞  ｜０，０＞
が形成される。その際、前記状態｜１，０＞と状態｜０，１＞との間に適当な摂動を与えることができれば各状態の間でのエネルギの縮退は解け、前記四つの状態は各々の相互に異なったエネルギを有するようになる。図１のエネルギ準位図を参照。
【０００８】
図１を参照するに、例えばかかるqubit １およびqubit ２よりなる系に、状態｜１，０＞と状態｜１，１＞の間で共鳴するエネルギΔＥ’の光を照射することにより、系の状態は前記状態｜１，０＞から状態｜１，１＞の方向に変化するが、この変化は、図２に示すようにqubit １においては状態が変化せずqubit ２においては状態が変化する変化となっている。この変化はまた、次式
【０００９】
【数３】
0003949318.tif 000004
【００１０】
により表現される変化であるが、これは２qubit 系におけるいわゆるｃ−ＮＯＴ（controlled-NOT）演算ｃ12になっている。このｃ−ＮＯＴ演算をもとに、量子コンピュータは様々な論理演算を行なうことができる。Barenco, A. et al., 前出を参照。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、先に説明した量子コンピュータの原理自体はこのように知られていたが、従来よりかかる量子演算を行なうための具体的構成は知られていなかった。これは、かかる量子状態を実現するに当たり、キャリア１個を閉じ込める構造が必要であるが、かかる適当な構造が得られなかったことによる。また、これに伴い、閉じ込められたキャリアを別の閉じ込められたキャリアと相互作用させることも実現できなかった。
【００１２】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な量子コンピュータを提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、キャリア1 個を閉じ込めたqubit を形成でき、また閉じ込めたキャリアを隣接する別のqubit に閉じ込められたキャリアと相互作用させることができる量子構造を備え、これらのqubit の状態の重ね合わせにより表現できる系の量子状態に対して演算がなされる量子コンピュータを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を、
請求項１に記載したように、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、前記半導体基板に対して格子整合する第１の半導体材料よりなる蓄積層と、
前記蓄積層上に形成され、前記半導体基板に対して格子整合する第２の半導体材料よりなる下側バリア層と、
前記下側バリア層上に形成された第３の半導体材料よりなる量子ドットと、
前記下側バリア層上に、前記量子ドットを覆うように形成された、前記第２の半導体材料よりなる上側バリア層と、
前記量子ドット中に、単一のキャリアを励起する励起光源と、
前記量子ドット中のキャリアの状態を、第１の状態と第２の状態の重ね合わせ状態に遷移させるコヒーレント演算光源と、
前記量子ドット中のキャリアのコヒーレント状態を検出する検出器とを備え、
前記量子ドットに用いる第３の半導体材料は、伝導帯準位が前記上側及び下側バリア層の伝導帯準位より低く、かつ価電子帯準位が前記上側及び下側バリア層の価電子帯準位より高い材料であって、量子準位が二つ形成されており、
前記下側バリア層上に、前記量子ドットに隣接して形成された別の量子ドットを有し、前記基板上には、前記量子ドットおよび前記別の量子ドットに対し、前記基板主面に平行な方向に作用する電界を印加する電極が形成され、前記コヒーレント演算光源は、前記量子ドット中のキャリアの状態と前記別の量子ドットのキャリアの状態との各々２つの合成状態が、重ね合わせ状態の間で変化するように強度あるいはパルス幅を変化させられることを特徴とする量子コンピュータにより、または
請求項２に記載したように、
前記第１の半導体材料はＧａＡｓよりなり、前記第２の半導体材料はＧａＡｌＡｓよりなり、前記第３の半導体材料はＧａＳｂよりなることを特徴とする請求項１記載の量子コンピュータにより、解決する。
［作用］
図３は、本発明による量子コンピュータの原理を示す。
【００１４】
図３を参照するに、図示を省略したＧａＡｓ基板上には非ドープＧａＡｓエピタキシャル層２１が形成されており、前記ＧａＡｓエピタキシャル層２１上には非ドープＡｌＧａＡｓよりなるバリア層２２がエピタキシャルに形成されている。さらに前記バリア層２２上には、前記ＧａＡｓ基板に対して歪みエピタキシャル系を形成する非ドープＧａＳｂよりなる量子ドット２３Ａ，２３Ｂが、Ｓ−Ｋモード成長により、島状に形成されている。
【００１５】
前記バリア層２２上には、前記量子ドット２３Ａ，２３Ｂを覆うように非ドープＡｌＧａＡｓよりなる別のバリア層２４がエピタキシャルに形成され、さらに前記バリア層２４上には非ドープＧａＡｓ層２５がさらにエピタキシャルに形成されている。前記バリア層２２，２４は、いずれも電子がトンネリングできるように非常に薄く形成される。
【００１６】
図４は、図３の半導体構造のハンド構造を示す。
図４を参照するに、前記ＧａＡｓ層２１あるいは２５は、量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂを構成するＧａＳｂに対してタイプＩＩのヘテロ接合を形成し、前記量子ドット２３Ａ，２３Ｂの伝導帯ＥｃはＧａＡｓ層２１あるいは２５の伝導帯Ｅｃより高エネルギ側に、また前記量子ドット２３Ａ，２３Ｂの価電子帯Ｅｖも、前記ＧａＡｓ層２１あるいは２５の価電子帯Ｅｖよりも高エネルギ側に位置している。
【００１７】
このようなバンド構造では、前記ＧａＳｂ量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂに対応して、量子準位｜０＞および｜１＞で特徴づけられるホールの量子井戸が形成され、従って前記量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂに励起光を照射して電子とホールを励起した場合、励起されたホールは前記量子井戸中、基底量子準位｜０＞において保持されるが、電子は前記バリア層２２あるいは２４をトンネルして隣接するＧａＡｓ層２１あるいは２５の伝導帯Ｅｃに逃げる。その結果、前記量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂ中には、ホールが安定に保持される。
【００１８】
かかるホールの励起の際、前記励起光の強度あるいは持続時間を制御することにより、前記量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂに閉じ込められるホールの数を１個だけに制限することができる。
かかる量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂに閉じ込められた単一のホールは先に説明したqubit を形成しており、その状態は先に［数１］で説明したように、前記基底量子準位｜０＞と量子準位｜１＞との間の一次結合で与えられる。そこで、前記量子準位｜０＞と量子準位｜１＞との間のエネルギΔＥに対応するエネルギの光ビームを前記量子ドット２３Ａあるいは２３Ｂに、所望の強度あるいは持続時間で照射することにより、前記qubit の状態ベクトルを所望の角度に回転させることができる。
【００１９】
さらに、図３に示す二つの量子ドット２３Ａ，２３Ｂが隣接して形成された系において基板主面に平行に作用する電界を印加した場合、量子ドット２３Ａ，２３Ｂのバンド構造は図５のように変形する。ただし図５中には、簡単のため価電子帯のみが示されている。
図５を参照するに、量子ドット２３Ａに形成されるqubit １ではホールは励起量子準位｜１＞1 にあり、一方量子ドット２３Ｂに形成されるqubit ２ではホールは基底量子準位｜０＞2 にある。このように前記qubit １およびqubit ２は２qubit 系を構成するが、かかる２qubit 系の状態は、先に説明した［数２］に従って、｜１，０＞で表される。その際、前記基板主面に平行に印加された電界のため、前記ホールの波動関数は量子ドット２３Ａ，２３Ｂにおいてそれぞれ非対称に変形し、その結果前記量子ドット２３Ａ，２３Ｂには分極Ｐ1 ，Ｐ2 が生じる。その際、前記分極Ｐ1 ，Ｐ2 の相互作用により、状態｜１，０＞と状態｜０，１＞の縮退が解け、先に図１で説明した４準位状態が形成される。
【００２０】
このような４準位状態の２qubit 系では、各準位の組み合わせに対応して固有の遷移エネルギが存在し、従って例えば図１のように状態｜１，０＞と状態｜１，１＞間の遷移エネルギの励起光を照射することにより、先に［数３］で説明したような、量子コンピュータの基本論理演算を行なうことが可能になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図６は、図７に示す量子ドット基板４１を含む本発明の一実施例による量子コンピュータ４１の構成を示す。
先に図７を参照するに、半絶縁性ＧａＡｓ基板４０１の（１００）面上には非ドープＧａＡｓバッファ層４０２が、ＭＢＥ法あるいはＭＯＶＰＥ法により、典型的には４００ｎｍの厚さに形成される。前記バッファ層４０２をＭＢＥ法により形成する場合には、前記バッファ層４０２の形成は、前記ＧａＡｓ基板４０１の温度を約６２０°Ｃに設定し、Ｇａの分子線強度を圧力換算で例えば３．５×１０-7Ｔｏｒｒに、またＡｓの分子線強度を例えば１×１０-5Ｔｏｒｒに設定して実行するのが好ましい。ＭＢＥ法の条件をこのように設定することにより、約０．５μｍ／Ｈの成長速度が前記バッファ層４０２について得られる。
【００２２】
前記バッファ層４０２の形成の後、基板４０１の温度を約４９０°Ｃまで降下させ、前記バッファ層４０２上に、Ｇａの分子線強度を約７×１０-7Ｔｏｒｒ，Ａｌの分子線強度を約２×１０-8Ｔｏｒｒ，Ａｓの分子線強度を約５×１０-6Ｔｏｒｒに設定して非ドープＡｌＧａＡｓよりなるバリア層４０３ａを、約１０ｎｍの厚さに形成する。このようにして形成されたＡｌＧａＡｓバリア層４０３ａは、前記基板４０１に対して格子整合する組成を有し、エピタキシャルな関係を維持する。
【００２３】
さらに、前記ＡｌＧａＡｓバリア層４０３ａ上に、Ｇａの分子線強度を約７×１０-7Ｔｏｒｒ，Ｓｂの分子線強度を同様に約７×１０-7Ｔｏｒｒに設定して、非ドープＧａＳｂ層４０３ｂを、３．３分子層分の厚さに対応した約０．９３ｎｍの厚さに形成する。その際ＧａＳｂは、基板４０１を構成する格子定数が５．６５４ÅのＧａＡｓよりもはるかに大きい格子定数（６．０９５Å）を有するため基板４０１に対して歪みヘテロ系を形成し、かかる歪みヘテロ系に伴う歪みエネルギにより、前記ＧａＳｂ層４０３ｂはその成長の初期にいわゆるＳ−Ｋ（Stranski-Krastanow）モード成長を行なう。かかるＳ−Ｋモード成長の結果、前記ＧａＳｂ層４０３ｂは前記バリア層４０３ａ上において島状の、相互に孤立した多数の量子ドットを形成する。これらの量子ドットは、前記ＧａＳｂ層４０３ｂの堆積後４９０°Ｃの温度で約９０秒間の熱処理を行なうことにより、各々が平均して約８０ｎｍの大きさの辺と約１０ｎｍの高さを有する略方形形状の領域を形成する。
【００２４】
かかるＧａＳｂ層４０３ｂの島状成長の結果、前記ＡｌＧａＡｓバリア層４０３ａの表面は露出されており、従って前記ＧａＳｂ量子ドット４０３ｂの形成の後、かかるバリア層４０３ａ上に、さらにＡｌＧａＡｓ層をＭＢＥ法により、前記バリア層４０３ａの続きとして、前記ＧａＳｂ量子ドット４０３ｂを覆うように、約１０ｎｍの厚さに形成する。図７では、かかるＧａＳｂ量子ドット４０３ｂを覆うＡｌＧａＡｓバッファ層も、その下のＡｌＧａＡｓバッファ層４０３ａと同一の符号で示してある。
【００２５】
さらに、このようにして形成された前記ＧａＳｂ量子ドット４０３ｂを覆うＡｌＧａＡｓバッファ層４０３ａ上に、非ドープＧａＡｓ層４０４が、ＭＢＥ法により、典型的には３０ｎｍの厚さに形成される。
このような大きさが約８０ｎｍで高さが約１０ｎｍのＧａＳｂ量子ドットでは、ＧａＡｓ層４０２あるいは４０４との間で、伝導帯において約０．２ｅＶ、価電子帯において約０．７ｅＶの食い違いを有するタイプＩＩのヘテロ接合を形成する。図４のバンド構造図を参照。また、かかる量子ドットでは、ホールの量子準位｜０＞および｜１＞が、約０．２ｅＶの間隔で形成される。
【００２６】
図６に戻って、前記量子コンピュータ４０においては、かかる量子ドット基板４１上に波長可変レーザよりなるコヒーレントパルス光源４２が、前記量子ドット基板４１をレーザビームにより照射するように配設され、さらに前記量子ドット基板４１中を通過した前記レーザビームを検出する光検出器４３が設けられる。
【００２７】
前記コヒーレントパルス光源４２はコントローラ４４により制御されるパルス列生成器４５により駆動され、前記レーザビームを所望の強度あるいは持続時間の光パルスの形で形成する。
さらに、前記量子ドット基板４１上には電極４６Ａ，４６Ｂが形成され、前記電極４６Ａ，４６Ｂは前記コントローラ４４により制御されるパルス列生成器４７により駆動されて前記量子ドット基板４１の主面に並行に作用する電界を形成する。
【００２８】
以下、図６の量子コンピュータ４０の動作を説明する。
最初に、前記コントローラ４４は前記パルス列生成器４５を介してレーザ４２を駆動し、前記量子基板４１中の各量子ドット４０３ｂ中に単一のホールと単一の電子のみを励起する。すなわち、前記パルス列生成器４５は、前記レーザ４２が形成するレーザビームの強度あるいは持続時間を、前記量子ドット４０３ｂ中に単一のホールと単一の電子のみが励起されるように制御する。このうち、励起された電子は直ちに前記ＡｌＧａＡｓバリア層４０３ａをトンネリングして隣接するＧａＡｓ層４０２あるいは４０４に脱出する。このように、電子が前記量子ドット４０３ｂから脱出するため、前記量子ドット４０３ｂ中に残留するホールは電子とは空間的に分離されて、安定に保持される。
【００２９】
次に前記コントローラ４４は、前記パルス列生成器４７を介して前記電極４６Ａ，４６Ｂを駆動し、前記量子ドット基板４１中に前記基板主面に並行な方向に作用する電界を誘起する。かかる基板主面に並行な方向に作用する電界により、前記量子ドット基板４１中においては、隣接する量子ドットの間に分極を介した相互作用（カップリング）が生じる。これに伴い、前記隣接する量子ドットは互いに先に図１で説明した２qubit 系の４量子準位状態、あるいはさらに多くのcubit を含む多qubit 系の多量子準位状態を形成する。
【００３０】
さらにこの状態において前記コントローラ４４は前記パルス列生成器４５を駆動し、前記４量子準位状態、あるいは多量子準位状態のうちの選択された特定の二つの準位の間の遷移エネルギに対応する波長で前記レーザビームを前記量子ドット基板４１に照射する。その際、前記コントローラ４４はレーザビームの強度あるいは持続時間を制御し、その結果系全体の状態ベクトルは、前記四つの状態の間で変化する。先にも［数３］に関連して説明したように、このような系全体の状態ベクトルの変化は、量子コンピュータの基本論理演算であるｃ−ＮＯＴ演算を含んでいる。
【００３１】
その際、ＧａＳｂのような歪みヘテロ系における自己組織化量子ドットでは、量子ドットの大きさが制御されないため個々の量子ドットの量子準位が様々に変化するが、かかる量子準位の変化の結果、図１のような多量子準位状態においては一の量子準位と他の量子準位との間の遷移エネルギが、量子準位の組み合わせ毎に様々に変化する。その結果、レーザビームの波長を制御することにより、任意の量子準位の組み合わせについて、キャリアの励起を行なうことが可能になる。これは、様々な論理演算を、レーザビームの波長を制御することにより行なうことができることを意味する。
【００３２】
図８は、前記光検出器４３の動作を説明するバンド構造図である。
前記光検出器４３は、先に［数１］〜［数３］で示したようなqubit の状態を検出する。その際、前記コントローラ４４は前記レーザビームの波長および強度あるいは持続時間を様々に変化させ、ＧａＳｂ量子ドット４０３ｂ中のホールを励起する。その際、前記レーザビームの波長および強度あるいは持続時間が、前記閉じ込められているホールと共鳴するとホールは励起され、レーザビームは吸収される。そこで、前記光検出器４３は、かかるレーザビームの吸収を検出することで、前記qubit 系の状態を検出する。
【００３３】
図７の量子ドット基板４１において、図９に示すように前記ＧａＳｂ量子ドット４０３ｂを含むＡｌＧａＡｓバリア層４０３ａを、間に非ドープＧａＡｓ層４０４を挟んで繰り返し堆積するようにしてもよい。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、タイプＩＩのヘテロ接合を形成する歪みヘテロ系における島状成長を使うことにより、単一のキャリアを安定して閉じ込める量子ドットが形成できる。かかる量子ドットは隣接して多数形成されるため、カップリングにより縮退の解けた多準位多qubit 系を形成することができる。かかる多準位多qubit 系を使うことにより、量子コンピュータの基本演算を行なうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】多準位多qubit 系のエネルギ準位の例を示す図である。
【図２】２qubit 系における基本的論理演算を示す図である。
【図３】本発明の原理を示す図（その１）である。
【図４】本発明の原理を示す図（その２）である。
【図５】本発明の原理を示す図（その３）である。
【図６】本発明の一実施例による量子コンピュータの構成を示す図である。
【図７】図６の量子コンピュータで使われる量子ドット基板の構成を示す図である。
【図８】図６の量子コンピュータで使われる検出器の原理を示す図である。
【図９】図６の量子コンピュータで使われる量子ドット基板の別の構成を示す図である。
【符号の説明】
２１，２５  ＧａＡｓ層
２２，２４  ＡｌＧａＡｓバリア層
２３Ａ，23Ｂ  ＧａＳｂ量子ドット
４０  量子コンピュータ
４１  量子ドット基板
４２  コヒーレントパルス光源
４３  光検出器
４４  コントローラ
４５，４７  パルス列生成器
４６Ａ，４６Ｂ  電極
４０１  ＧａＡｓ基板
４０２  ＧａＡｓバッファ層
４０３ａ  ＡｌＧａＡｓバリア層
４０３ｂ  ＧａＳｂ量子ドット
４０４  ＧａＡｓ層
【図１】
0003949318.tif 000005
【図２】
0003949318.tif 000006
【図３】
0003949318.tif 000007
【図４】
0003949318.tif 000008
【図５】
0003949318.tif 000009
【図６】
0003949318.tif 000010
【図７】
0003949318.tif 000011
【図８】
0003949318.tif 000012
【図９】
0003949318.tif 000013