研究紹介
丸文研究奨励賞受賞者

小寺 哲夫

東京工業大学 工学院電気電子系准教授

量子ドット中のスピンを用いた量子情報素子の研究
量子情報応用に向けたスピンの精密な制御と測定研究の背景存したトンネル現象を発現させること、スピン用である交換相互作用の定量的な見積も共鳴を利用したスピンの回転操作を実現すりを行った【1,2】。GaAs量子ドットを２つ直列

量子情報素子の研究は様々な物理系でることなどである（図1）。
また、将来的な量子に並べた構造を作製し、各量子ドットに１つ精力的に行われている。半導体量子ドットビットの集積には、2次元配列構造の検討ずつ電子が入っている状態を用意した。
２中のスピンも有望な系の１つとして期待されが重要であり、量子ビットの性能向上には、つの量子ドット間の準位差を電圧と磁場にている。半導体加工技術による将来的な素コヒーレンスが乱される物理的要因や操作より制御することで、各量子ドットに１つず子の集積化が可能であり、また情報の保持に必要なスピン間相互作用の理解が求めつ入った電子スピンの三重項状態と一重時間に相当するコヒーレンス時間が長いとられる。

項状態のエネルギー差を見積もることができた。
また、ハバードモデルによる計算によいう利点がある。スピンは電荷が持つ磁石のような量子力学的性質で、量子情報の基本単位である「量子ビット」として利用する研究の成果ことができる。スピン量子ビットの実現には、上述のような背景の下、本研究では、量１つの電荷のスピンの向きをコヒーレンス時

子ドット中のスピンを用いた量子情報素子り、実験データを高精度に再現することに成功した。
2. 集積に適したMOS型シリコン量子ドット間内に操作して、任意の重ね合わせ状態をに関わる要素技術の開発、量子状態制御の作製と電荷検出技術の実証作る必要がある。
このためには、多くの要素や相互作用に関する物理の解明を進めた。

電荷のスピンを情報の担い手として用い技術が必要となる。具体的には、安定的にる量子ビットの動作には、電荷のスピンのコ１つの電荷を保持できる半導体量子ドットを

1. スピン間交換相互作用の定量的見積もりヒーレンスが安定的に保持される必要があ作製すること、量子ドット内部の１つの電荷本研究では、２量子ビット操作や量子もる。
コヒーレンスを乱す（デコヒーレンス）
要因数変化を検出できること、スピン状態に依つれ状態生成に用いられる重要な相互作になる原子核スピンがシリコンではほとんど存在しないため、電荷のスピンの情報が長

図1 半導体量子ドットを用いた電荷スピン量子ビットに向けた要素技術開発と関連物理解明く保持されるという利点がある。
また、素子の作製において、現在のコンピュータを作るシリコン集積回路の加工技術を利用できる利点もある。
これらのシリコンの優位性に着目し、研究を進めた。
シリコン集積素子で用いられるMOS構造を利用した、独自の物理形成シリコン量子ドット構造を提案、作製し、量子情報素子に関連する物理や技術について研究を行った。例えば、量子ドットが複数結合した系において、電子を１つ１つ安定的に閉じ込め、内部の電子数が１つだけ異なる状態を近くに配置した電荷センサにより高感度に検出する技術の開発に成功した【3】。
また、量子ビットの2次元配列構造を検討するため、３つの量子ドットを三角形状に配置した素子を作製し、シリコン系で初めて【4】。
動作実証した（図2）

丸文研究奨励賞 受賞者

図2 （ a ）集積に向けて2次元配列させたシリコン3重量子ドットの電子顕微鏡写真（b）
電荷センサによって得られた3重量子ドット特有の電荷安定状態図（c）
測定データから得られた、各量子ドット内の電子数が１つずつ異なることを示す模式図

（a）

（b）

（c）

Light gray : SOI、Dark gray : BOX
TG：
トップゲート、CS：電荷センサ

3. MOS型シリコン量子ドットにおけるスピンた。単一量子ビットゲート操作の忠実度とし子ビットの開発や、低温動作する量子ビッ依存トンネルの観測て99.6%を実現し、量子エラー訂正のしきト制御用のエレクトロニクスが必要となる。

２つ並んだ量子ドットのそれぞれに電子い値（99％）
よりも高い値を実現した【8】。
さ量子コンピュータの実現に向けて、量子技スピンを１つずつ閉じ込め、この状態に電らに、原子核スピンを持たない28 Siのみに術の高度化を進めながら、既存の半導体圧を加えることで、スピンの向きにより電流同位体制御したシリコンを用いることで、原技術も活用し、デバイス、回路、システムをが流れなくなる「スピン依存トンネル」を実子核スピンによるデコヒーレンスをさらに抑連携させて、研究開発を推進したい。

現し、量子情報素子の論理演算の結果を制した系においては、単一量子ビットゲート読みだすために必要な要素技術を開発し操作の忠実度として99.9%以上を実現し、た【5】。コヒーレンスが乱される物理的要因世界最高記録を達成した【9】。

やコトンネリングによって電子スピン緩和が本研究成果は、東京大学の樽茶清悟教授（現 理化学研究所）、荒川泰彦教授、東にも着目し、スピン依存トンネル現象の磁場応答の解析から、スピン軌道相互作用謝辞

将来の展望

京工業大学の小田俊理教授などの様々な先生方の多大なご支援・ご協力を頂きな起きることを明らかにした。
また、電子スピン今後の課題は、量子ビットの集積であがら、日立ケンブリッジ研究所、理化学研究のみならず正孔スピンによるスピン依存トる。
３次元配線も含めて集積に向けた本所、産業技術総合研究所などの共同研究ンネル現象も観測した【6】。
シリコン中の正格的な設計を行う必要がある。また、量子者や、多くの学生と共に、研究を推進するこ孔は電子と比較して強いスピン軌道相互状態の高速で正確な制御のためには、量とで得られたものです。この場を借りて、本作用を有するため、電界のみで高速なスピ子ビットと制御回路を近づける方が望まし研究に関わる全ての皆様に深く御礼申し

ン操作が可能である。スピン共鳴のためのいと考えられる。比較的高温で動作する量上げます。

マイクロ磁石が不要であり、シンプルで集積に有利なデバイス構造となるため、注目を集めている【7】。
4. ゲート定義型シリコン量子ドットにおける高精度なスピン操作
本研究では、電圧によるトンネルレートの制御性が高い、ゲート定義型シリコン量子ドットを用いて、スピン状態の操作と単発読み出しを行った。ゲート定義型シリコン量子ドットに関する研究は、東京大学・理化学研究所の樽茶清悟教授らとの共同研究によって進めた【8-10】。その結果、電子スピンのコヒーレンス時間がGaAs系の100倍程度（ 2＊が2ms程度）であることを実証しReferences（参考文献 ）【1】T. Kodera, K. Ono, Y. Kitamura, Y. Tokura, Y. Arakawa, S. Tarucha Phys. Rev. Lett. 102,146802 (2009).
【2】T. Kodera, K. Ono, S. Amaha, Y. Tokura, Y. Arakawa, and S. Tarucha, Physica E 40 (5), 1139,(2008).
【3】K. Horibe, T. Kodera, and S. Oda, Appl. Phys. Lett. 106, 083111 (2015).
【4】R. Mizokuchi, S. Oda, T. Kodera, Appl. Phys. Lett. 114, 073104 (2019).
【5】G. Yamahata, T. Kodera, H. O. H. Churchill, K. Uchida, C. M. Marcus, and S. Oda, Phys. Rev. B
86, 115322 (2012).
【6】Y. Yamaoka, K. Iwasaki, S. Oda and T. Kodera, Jpn. J. Appl. Phys. 56, 04CK07 (2017).
【7】Y. Yamaoka, S. Oda, and T. Kodera, Appl. Phys. Lett. 109, 113109 (2016).
【8】K. Takeda, J. Kamioka, T. Otsuka, J. Yoneda, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison,T. Kodera, S. Oda, S. Tarucha, Science Advanced, 2, 8, e1600694 (2016).
【9】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).
【10】K. Takeda, J. Yoneda, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, G. Allison, Y. Hoshi, N. Usami,
K. M. Itoh, S. Oda, T. Kodera and S. Tarucha, npj Quantum Information, 4, 54 (2018).