半導体ナノ構造による量子情報処理の研究
Quantum devices for quantum information processing utilizing semiconductor nanostructures

た量子デバイスに向けては、様々な物理系を用いた研究がなされているが、本研究では量子技術の中でも特に半導体集積技術との親和性が高いと考えられる、半導体量子ドット*1 等の半導体ナノ構造による量子デバ
イスおよびこれを用いた量子情報処理に関する研究を行う。

大塚 朋廣 ( Tomohiro Otsuka, Ph. D.)

２．研究の背景

東北大学 材料科学高等研究所 准教授

これまでの情報化社会を支えてきた半導体情報処理(Associate Professor, Tohoku University, Advanced Institute forMaterials Research)

デバイスについて、半導体微細化の限界や、デバイス動作に伴う発熱等の物理的な制約により、その発展が日本物理学会
受賞：文部科学大臣表彰若手科学者賞 (2018 年) 日本物理学会若手奨励賞( 2017 年) 理化学研究所研究奨励賞 (2017 年) 他
研究専門分野：ナノ・マイクロ科学 量子デバイス限界を迎えるのではないかと指摘されるようになっている。この限界を超えていくために、様々なアプローチが研究されており、その一例として、従来のエレクトロニクスでは十分に活用されていなかった電子等の量子力学的状態を用いた量子エレクトロニクス、量子情報処理が注目を集めている。量子状態が持つ、重ねあらまし
新しい情報処理デバイスの創出に向けて、電子等の合わせや量子もつれの特性を活用することにより、こ量子力学的状態を活用した量子エレクトロニクス、量れまでの情報処理手法とは異なる新しい情報処理が期

子情報処理が注目を集めている。本研究ではこのよう待される [1]。

な量子技術の中でも、半導体集積技術との親和性が高量子エレクトロニクス、量子情報処理の実現に向けいと考えられる半導体量子ドット等の半導体ナノ構造て、現在では量子状態を人工的に制御、観測できる様々およびこれを用いた量子情報処理に関する研究を行っな物理系（超伝導、光、イオントラップ、半導体等）た。半導体量子ドットを用いて電子を微小領域に閉じを用いた研究が活発に進められている [2]。現状で研究込め、内部に形成される電子の量子状態を利用した量が進んでいる物理系の一つは、超伝導を用いた量子デ子デバイスの研究を進め、量子状態の制御と観測の高バイスである。量子コンピュータの構成要素となる量度化、効率化を進めた。また半導体量子ビット等の重子ビットやその高精度操作が実現され、さらにこれら要な読み出し技術である高周波反射測定について、そを集積した量子系における量子情報処理動作の実証や、の測定データの詳細解析を行い、この測定手法におけ動作や集積度の改良等が活発に進められている [3]。

るノイズメカニズムや半導体量子デバイス測定への影

一方で半導体を用いた量子デバイスの研究も始まっ響等を明らかにした。また半導体量子デバイスの大規ている。半導体に微細加工を施すことにより、電子を模化に向けて、半導体量子ドットを結合させた多重量微小な領域に閉じ込めるための半導体量子ドットと呼子ドットデバイスや、その内部における電子状態解明ばれる構造を形成できる。閉じ込めのサイズを電子のについても研究を行った。

量子力学的な波の大きさと同程度にすることで、閉じ込められた電子は量子効果を示すため、半導体量子ドットを用いて閉じ込めの様子を制御することで、人工１．研究の目的
将来の新しい高度な情報処理の実現に向けて、電子的に電子の量子状態を制御することができる。さらに等の量子力学的状態を活用した量子エレクトロニクス、電子のスピン*2 と呼ばれる自由度を利用することで、量子情報処理が注目を集めている。量子状態を活用し固体デバイスの中でも量子状態の寿命を比較的長く保つことができ、高精度な量子ビット操作を実現するこ
1TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

半導体ナノ構造による量子情報処理の研究
Quantum devices for quantum information processing utilizing semiconductor nanostructuresとができるようになってきた [4]。
この半導体を用いた量子デバイスはそのデバイスサイズが小さく、またその作製の際に、既に産業界で活用されている半導体の微細加工技術を利用することができるため、デバイス集積化等の面でメリットがあると考えられている。そして、近年では実際に産業界の参入も始まってきている。
３．研究の方法
半導体ナノ構造を用いた量子エレクトロニクス、量子情報処理においては、半導体ナノ構造中の量子状態の人工的な制御と観測の高度化、効率化が重要となる。
量子状態の制御は、半導体量子ドット等の半導体ナノ構造中に形成された電子の量子状態が、デバイス中の微小電極に印加された電圧により生成される閉じ込めポテンシャルによって変化することを利用して制御される。ただしこの際、半導体ナノ構造内に形成される

図 1 半導体量子ドットデバイスの模式図と、高周電子の量子状態のエネルギースケールが 100 μeV 程波反射測定により観測された半導体量子ドッ度と小さいことも多いため、熱擾乱や電気ノイズ等のトデバイスの電荷状態測定信号影響を低減したデバイス動作環境を実現する必要があ

気伝導は、近傍の静電ポテンシャルを鋭敏に反映する。

る*3。このため極低温冷凍機を用いてデバイスを冷却

そこでこれを利用することにより、近傍に存在する電し、熱擾乱を低減した極低温環境下で半導体量子デバ子一個の静電ポテンシャル変化を検出することができイスの評価、測定を行えるようにした。さらに、電子る。さらにこの高感度電荷センサを高周波共振器内に量子状態の制御に用いる電圧を生成する電子回路から組み込み、高周波信号を印加して高周波反射信号を調の電気ノイズも、半導体量子デバイス中の電子量子状

べ、センサの電気伝導変化について高周波を用いて測態に影響を及ぼすため、制御用電圧印加回路やフィルタ回路についてもノイズ低減等のための改良を行った。
さらに半導体ナノ構造中電子の量子状態を高速に制御定することで半導体ナノ構造中の電子量子状態を高速に読み出すことが可能となる [5,6]。そこでこの半導体ナノ構造の高周波反射測定系についても、整備、改良するためには、電子状態制御用の高速電気信号の生成を行った。

が重要となる。このために高速電気信号生成プログラこれらをもとに半導体ナノ構造における電子の量子ムの整備、改良を行い、高速な電子状態制御のための状態の電気的な制御と観測の実験を行った。まず半導制御電圧パルス列を自由度が高い方法で効率的に生成体量子ドットデバイスにおいて電子状態制御の実験をできるようにした。

行い、半導体量子ドット中電荷状態の制御と観測を行また半導体量子ドット等の半導体ナノ構造中の電子った。マイナス電圧をデバイス内の金属電極に印加すの量子状態の観測について、量子状態の観測はナノ構ることにより電極近傍の電子を空乏化して、電子の閉造中の電子の電荷状態を計測することにより実現されじ込めポテンシャルおよび半導体量子ドットを形成しる。この際、半導体ナノ構造中の電子の電荷を、電子た。そして半導体量子ドット中の電子数を一個ずつ制一個レベルかつ高速に計測する必要があり、このため御した。半導体量子ドットを二つ並べたデバイスを用に高感度な電荷計が開発されてきた。量子ポイントコ

いて、電子状態制御を行った結果の一例を図 1 に示す。

ンタクト*4 や量子ドットといった半導体ナノ構造の電2TELECOM FRONTIER No.120 2023 SUMMER

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制御電極電圧の変化とともに半導体量子ドット内の電子数が変化し、高周波反射測定による電荷計微分信号の測定で、電子数が変化する条件において電荷遷移線と呼ばれる信号を観測することができる。さらにこの
図の左下の領域では電荷遷移線が消失しており、半導体量子ドット内部の電子数がゼロとなったことを示している。この領域から電荷遷移線を超えるごとに電子が一個ずつ半導体量子ドット内に増えていくため、各領域の電子数を図中の数字のように求めることができる。これにより、半導体量子ビット等の量子デバイスとして活用される少数電子状態を安定的に形成できることを確認した。さらに半導体量子ドット中の電子のスピン状態を活用した量子状態についても、その制御、および観測の実験を行った。これによりスピン量子状態による量子干渉効果等を観測し、さらにこれらの量子状態について、高周波信号依存性等についても調べた。
また半導体ナノ構造中の単一電子状態を検出する高周波反射測定についても、高周波信号の詳細解析を実

図 2 高周波反射測定回路の模式図と、実際の高周波施した。単一電子状態の測定感度、および単一試行で反射測定回路からの信号で観測されたノイズのの量子状態読み出しに必要となる測定積分時間は、高周波数依存性周波測定系で生じるノイズの影響を受ける。このノイ式として有望な半導体量子ドット系について、複数のズについて解析を行った。図 2 の模式図に示された高半導体量子ドットを結合させた多重量子ドットデバイ

周波反射測定系で観測された高周波反射信号に含まれスの研究を行った。半導体量子ビットでは単一の半導るノイズを調べたところ、周波数依存性を持った特徴体量子ドット中にトラップされた電子が量子ビットの的なノイズが観測された。この周波数依存性を解析す構成要素となる。量子ビットの数を増やすためには、ることで、高周波測定系の各高周波部品、および測定半導体量子ドットの数を増やし、結合させていくこと試料となる半導体ナノ構造試料におけるノイズ発生メがシンプルなアプローチである [8]。このために半導体カニズムについて明らかにした。またこのノイズにつ量子ドット間の結合や、読み出し用の電荷センサ配置いて、高感度電荷計の感度を決める動作条件設定電圧等を改良した半導体量子デバイスの基本ユニット構造への依存性についても調べた。ここで得られた知見をについて研究を行った。さらに半導体多重量子ドットもとに、ノイズについてのモデル計算も活用しながら、デバイスについて測定を行い、半導体多重量子ドット

測定積分時間の変化に伴って、測定に影響するノイズにおける電子状態制御を行った。図 3 にこの電子状態の主要メカニズムが変化することを明らかにした。特制御の測定と観測の一例を示す。制御電極電圧の変化に測定積分時間の増大に伴い、半導体ナノ構造デバイとともに半導体多重量子ドット内の電荷状態の変化がスにおける電荷ノイズの影響が大きくなることが分か観測され、これに伴う電荷遷移線を観測することがでった [7]。これらの知見は半導体量子ビット等の半導体きる。また半導体多重量子ドットにおいて生じる電子量子デバイスの高感度、高速測定において重要となる。

間相互作用を活用した電子状態制御についても研究をまた半導体ナノ構造を活用した量子デバイス、シス行った。これらは半導体多重量子ドットを用いた半導テムの大規模化に向けて、集積可能な量子デバイス方
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半導体ナノ構造による量子情報処理の研究
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体量子デバイス、システムの大規模化に向けて有用と用語解説なる。

*1 半導体微細加工により形成される電子を微小領域に閉じ込めた構造。電子の量子力学的な波の大きさと同程度（数十 nm）の構造を作ることで、量子力学的な効果を発現させ、人工的に制御、観測することができる。
*2 電子は電荷の自由度の他にスピンの自由度を持つ。
スピンは電場と直接は相互作用しないため、デバイス中の電荷ノイズ等の影響を受けづらく、その量子力学的状態が保たれやすい。
*3 室温の温度エネルギーは 25 meV ほどあり、これが量子力学的なエネルギーより大きい状態では、温度の影響により量子状態を観測、制御することが難しくなる。
*4 電子の伝導路の幅を狭窄した半導体ナノ構造。伝導路の幅が電子の量子力学的な波の大きさと同程度に小さくなると、電子の量子性に起因する特徴的な図 3 半導体多重量子ドットデバイスの模式図と、多重量子ドットデバイスで観測された電荷状伝導特性が観測される。半導体量子ドットと同じく、態制御、測定結果周囲の静電ポテンシャルによって伝導度が変化するため、高感度な電荷計として活用できる。

４．将来展望

参考文献

本研究では、半導体量子ドット等の半導体ナノ構造[1] M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum

およびこれを用いた量子情報処理の研究を行った。こComputation

れにより半導体ナノ構造中の電子の量子状態の制御とCambridge University Press.

観測の高度化、効率化を進めた。半導体量子デバイス

andQuantumInformation,[2] T. D. Ladd, F. Jelezko, R. Laflamme, Y.の重要な読み出し技術である高周波反射測定について、

Nakamura, C. Monroe, and J. L. O’Brien,

ノイズメカニズムやその量子状態測定への影響等を明Quantum Computers, Nature 464, 45 (2010).

らかにした。また半導体多重量子ドットデバイスにつ[3] C. Neill et al., A Blueprint for Demonstrating

いても研究を行った。今後は本研究で得られた成果をQuantum Supremacy with Superconducting

もとに、量子情報処理で重要となる半導体ナノ構造中

Qubits, Science 360, 195 (2018).の量子状態の制御と観測のさらなる高度化を進めてい[4] J. Yoneda et al., A Quantum-Dot Spin Qubit

きたい。また半導体多重量子ドットを用いた半導体量with Coherence Limited by Charge Noise and子デバイスの集積技術開発を通して、半導体ナノ構造

Fidelityを用いた大規模な量子情報処理の進展に貢献していき

Nanotechnol. 13, 102 (2018).

Higherthan99.9%,

Natureたい。さらにこれらの研究の中では、従来からの半導[5] D. J. Reilly, C. M. Marcus, M. P. Hanson, and A.

体量子系材料だけではなく、新しい半導体量子系材料

C. Gossard, Fast Single-Charge Sensing with aの特性解明と活用も重要であり、興味深い研究対象と

Rf Quantum Point Contact, Appl. Phys. Lett. 91,して考えている。

162101 (2007).
[6] C. Barthel, M. Kjærgaard, J. Medford, M. Stopa,
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C. M. Marcus, M. P. Hanson, and A. C. Gossard,

Fast

SensingofDouble-Dot

ChargeArrangement and Spin State with a RadioFrequency Sensor Quantum Dot, Phys. Rev. B
81, 161308 (2010).
[7] M. Shinozaki et al., Gate Voltage Dependence ofNoise

Distribution

inRadio-Frequency

Reflectometry in Gallium Arsenide Quantum
Dots, Appl. Phys. Express 14, 035002 (2021).
[8] D. Loss and D. P. DiVincenzo, Quantum

Computation with Quantum Dots, Phys. Rev. A57, 120 (1998).
この研究は、令和元年度ＳＣＡＴ研究助成の対象として採用され、令和２～３年度に実施されたものです。

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