研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者

米田 淳

東京工業大学 超スマート社会卓越教育院特任准教授

超高忠実度シリコン電子スピン量子ビットの実現と高機能化集積化が期待されるシリコン量子コンピュータの構成単位

研究の背景

研究の成果

量子コンピュータは、従来コンピュータ

量 子ドット中の電 子スピンで現実的な時間内に処理できない計算（図1（a））
は、半導体微細加工を行う量子超越性が示されるなど、近年ま技術との相性がよい量子ビットすます注目を集めている。広義の量子コンの候補として知られる。固体中ピュータは、すでに高度情報処理への適の量子系としては良好なコヒー用が進んできているが、現状では計算エレンス特性を示す一方で、操作ラーに対する耐性がなく、応用先も限られ性が悪いことが、量子ビット応る。このため、エラー耐性を獲得した万能用に向けた大きな技術的課題ディジタル量子コンピュータの実現が望まであった。操作性とコヒーレンスれている。のトレードオフ関係は、量子ビッ

万能ディジタル量子コンピュータを構成するための量子ビットには、数々の厳しい条件が課される。
まず、高い忠実度＊1が必図2 超高忠実度シリコン電子スピン量子ビットの雑音スペクトル密度ト開発における普遍的な課題である。
これを解決するためのスピン要であり、その目標は99.9％程度である。

操作法として、ここでは微小磁石を利用す

さらに超高忠実度の量子操作を実現す

さらには、数百万個以上の量子ビットを集る方法に着目し、操作性の向上に必要な磁るべく、量子ドット材料を、ガリウムヒ素に比積化し、古典回路を作り込む必要があると場分布特性を解明、その具体的な試料設べて核スピンによる磁気的雑音が小さいシ考えられるため、シリコン技術との親和性計手法を確立した【1】。これにより、ガリウムリコン、さらには核スピンを排除した同位体が極めて重要である。そこで、本研究ではヒ素量子ドットにおいて100MHzを超える操制御シリコンへと変更した。雑音低減と適超高忠実度シリコン電子スピン量子ビット作速度を達成、コヒーレントに振る舞う量子切な設計の組み合わせで、高速なスピン操を実現し、その高機能化に取り組んだ。

ビットに期待される振る舞いを観測した【2】。

作と、長いスピン位相コヒーレンスを両立させ、99.9％の操作忠実度を実現した（図1

図1 シリコン電子スピン量子ビット（a）
微小磁石を備えたシリコン量子ドット模式図（b）
同位体制御シリコン試料で観測されたシェブロン模様

【3】。
（b））

超高忠実度操作が可能な電子スピンの感じる雑音を解析したところ、その位相コヒーレンスが電荷雑音によって制限されていること突き止めた（図2）。従来は磁気的雑音が支配的であったため、このことは電子スピン量子ビットの研究開発方針を定める上で、重要な知見となった。
シリコン電子スピン量子ビットの次のステップとして、測定結果に基づく量子情報プロトコルの実行に必要となる、量子非破壊測定＊2の実現に取り組んだ。図3に示したように、量子非破壊測定では、測定前後のスピン状態が相関をもつ（非破壊性）。
このことから、量子ビット状態を読み出す機能

図3 量子非破壊測定における3つの要件と補助電子スピンの役割

図4 輸送された電子スピンの量子状態トモグラフィー結果（読み出し）に加えて、観測によって状態を理論の研究進展で、量子ビット間の結合用意する機能（初期化）を有する。電子ス性＊3は、量子ビットの集積性の重要な因子ピン状態を電荷へと変換する従来のスピンであることが分かってきている。スピン交換

シリコン電子スピン量子ビットの忠実度読み出し方法では、電荷の検出過程で電相互作用を用いる通常の方式では、スピンは、超伝導量子ビットなどと比肩するように将来の展望子スピンが必然的に影響を受けてしまって量子ビット間の量子的な結合は、隣接サイなってきた。加えて、多くの量子プロトコルいた。そこで、スピン情報を補助量子系にト間に限られる。これを改善するような手法にとって前提となる量子非破壊測定や、結転写してから読み出し、量子非破壊測定をはいくつか提案されているが、実際に高忠合性を高める特有の機能である量子ビット実現した【4】。

実度で実現可能な方式の目途は立っていのコヒーレント輸送など、基盤となる機能がなかった。

揃ってきている。
さらに、集積化への援用が具体的な補助量子系として、隣接サイトの電子スピン量子ビットを利用した。同種量子ビットのコヒーレント輸送は、この期待されるシリコン技術との相性がよいシの量子ビットを用いるこのアプローチは、試問題の解決策となりうる。我々は、輸送をリコン量子系でもある。エラー耐性を有する料作製、拡張性の観点で有利である一方行った場合とそうでない場合の、電子スピような、万能ディジタル量子コンピュータので、転写の影響が大きくなりやすい。通常

ンの量子状態トモグラフィー測定結果（図実現に向け、さらなる研究の進展が期待さはハイゼンベルク型のスピン交換相互作

4）から、位相コヒーレンスが保たれたままれる。

用を、イジング型となるよう試料設計するこの輸送が行われていることを示した。輸送とでこの困難を克服し、量子非破壊測定過程を繰り返した際の位相成分の減衰の特有の性質である、非破壊性、読み出率を詳細に解析したところ、輸送過程の本研究成果は、理化学研究所創発物性し、初期化の3つの機能を実証できた。

忠実度は99.4%と求められた。この成果

科学研究センターの樽茶清悟副センター

は、非隣接スピン量子ビット間での高忠実長、ニューサウスウェールズ大学のDzurak

ヒーレントに輸送する、量子ビット輸送を高度な量子的結合を可能にするものと考え教授、慶應義塾大学の伊藤公平教授（現い忠実度で実現した【5】。昨今の量子情報られる。

塾長）
をはじめ、国内外の多くの方々から多続いて、電 子をスピン量 子 状 態ごとコ謝辞

大なご支援とご協力を得て、実現したもので＊1 量子ビット操作が、意図した操作にどれだけ近いかを表す性能指数。誤り率が小さいほど100%に近くなる。
＊2 量子状態に対する測定のうち、測定される物理量の時間発展に擾乱が及ばないもの。理想的な量子射影測定ともみなせる。
＊3 量子ビット配列において、２量子ビット操作などの量子的な結合が可能な量子ビットの組み合わせ、配置のこと。

す。
この場を借りて、深く御礼申し上げます。

References（参考文献 ）【1】J. Yoneda, T. Otsuka, T. Takakura, M. Pioro-Ladrière, R. Brunner, H. Lu, T. Nakajima, T. Obata, A. Noiri, C. J. Palmstrøm, A. C. Gossard,and S. Tarucha, Appl. Phys. Express 8, 084401（2015）.
【2】J. Yoneda, T. Otsuka, T. Nakajima, T. Takakura, T. Obata, M. Pioro-Ladrière, H. Lu, C. J. Palmstrøm, A. C. Gossard, and S. Tarucha,Phys. Rev. Lett. 113, 267601（2014）.
【3】J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh,and S. Tarucha, Nature Nanotechnology 13, 102（2018）.
【4】J. Yoneda, K. Takeda, A. Noiri, T. Nakajima, S. Li, J. Kamioka, T. Kodera, and S. Tarucha, Nature Communications 11, 1144（2020）.
【5】J. Yoneda, W. Huang, M. Feng, C. H. Yang, K. W. Chan, T. Tanttu, W. Gilbert, R. C. C. Leon, F. E. Hudson, K. M. Itoh, A. Morello, S. D.
Bartlett, A. Laucht, A. Saraiva, and A. S. Dzurak, Nature Communications 12, 4114（2021）.