シリコン量子ドット構造で超高精度量子ビットを実現

~産業集積化に適したシリコン量子コンピューター開発を加速~

平成29年12月19日

科学技術振興機構(JST),理化学研究所,東京大学,東京工業大学,慶應義塾大学

  • 固体中で、電子スピンの量子演算速度と情報保持時間を高水準で両立する手法を実証。
  • 集積化可能な量子ビットとして最高水準の量子演算精度をシリコン素子で実現。
  • 今後シリコン中の電子スピンを用いた量子コンピューター開発の加速が見込まれる。

JST 戦略的創造研究推進事業において、樽茶 清悟 理化学研究所 グループディレクター/東京大学 大学院工学系研究科 教授、米田 淳 理化学研究所 基礎科学特別研究員らの研究グループは、シリコン量子ドット注1)において世界最高水準の演算精度をもつ電子スピン注2)量子ビット注3)素子を開発しました。

量子コンピューターは次世代コンピューターの候補として注目され、その情報を担う量子ビットの開発競争が、超伝導素子を筆頭にさまざまなシステムにおいて世界的に激化しています。半導体素子を用いた量子ビットの実装は、産業応用の観点から重要である一方で、量子演算速度と情報保持時間注4)の両立が難しく、高性能化が大きな課題となっていました。

本研究グループは、慶應義塾大学の伊藤 公平 教授と名古屋大学の宇佐美 徳隆 教授らが新たに開発した、磁気的雑音の極めて少ない同位体制御シリコン注5)基板を用いて量子ドット素子を作製しました。これと特殊な形状の微小磁石を用いた高速スピン操作を組み合わせ、従来の量子ビットに比べて約100倍の演算速度と約10倍の情報保持時間を同時に達成し、量子演算の誤り率の最高値を従来値より約1桁減少させることに成功しました。半導体同位体技術を適用したことで、この素子における電子スピンの量子情報喪失は、通常の磁気的雑音ではなく、電荷雑音が支配していることを初めて明らかにしました。

本研究成果は、産業集積化に適したシリコン・ナノ構造における超高性能の電子スピン量子ビットの実装方法を確立するもので、今後これを用いたシリコン量子コンピューター開発の加速が見込まれます。

本研究は、東京工業大学の小寺 哲夫 准教授、慶應義塾大学の伊藤 公平 教授、名古屋大学の宇佐美 徳隆 教授らと共同で行ったものです。

本研究成果は、2017年12月18日(英国時間)に国際科学誌「Nature Nanotechnology」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 チーム型研究(CREST)

研究領域 「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」
(研究総括:荒川 泰彦 東京大学 教授)
研究課題名 「スピン量子計算の基盤技術開発」
研究代表者 樽茶 清悟 理化学研究所 グループディレクター/東京大学 教授
研究期間 平成28年10月~平成34年3月
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