単一伝搬電子による初めての軌道量子ビット ~音波で駆動される単一電子の軌道の量子状態を制御~

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2021-02-16 理化学研究所,産業技術総合研究所,科学技術振興機構

理化学研究所(理研) 創発物性科学研究センター 量子電子デバイス研究チームの伊藤 諒 特別研究員、山本 倫久 チームリーダー、量子機能システム研究グループの樽茶 清悟 グループディレクター、産業技術総合研究所 物理計測標準研究部門 高田 真太郎 研究員らの国際共同研究グループは、音波によって輸送される単一電子の量子力学的な運動を制御し、電子の軌道状態で定義される量子ビットの電気的操作を初めて実現しました。

本研究成果は、伝搬する電子を用いた量子コンピューターの実現に向けた第一歩です。

「飛行量子ビット」と呼ばれる光子や電子が伝搬する量子ビットを用いて量子コンピューターを構成すると、固体を用いた他の量子コンピューターシステムに比べて、システムの構築に必要なハードウェアが劇的に小さくなります。しかし、量子コンピューターシステムの構築に適する、電子を用いた固体の飛行量子ビットの電気的操作は実現していませんでした。

今回、国際共同研究グループは、ガリウムヒ素(GaAs)半導体基板の中に2つの経路(電子の通り道)を用意し、電子が量子力学的なトンネル効果によって経路間を行き来できるようにしました。そして、音波の一種である表面弾性波に単一電子を閉じ込めて安定に輸送し、輸送された単一電子が2つの経路のどちらに存在するかで定義される飛行量子ビットに対する電気的な量子演算素子である「ビームスプリッター」を実現しました。

本研究は、国際科学誌「Physical Review Letters」への掲載に先立ち、2021年2月16日付オンライン版で公開されます。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 CREST「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)」の研究課題「半導体非局在量子ビットの量子制御(研究代表者:山本 倫久)」、日本学術振興会(JSPS) 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)「ハイブリッド量子科学」の「固体の電子波の量子もつれ制御(研究代表者:山本 倫久)」、同 基盤研究(S)「量子対の空間制御による新規固体電子物性の研究(研究代表者:樽茶 清悟)」、同 基盤研究(B)「単一飛行電子を用いた量子電子光学実験の基盤技術の開発(研究代表者:高田 真太郎)」による支援を受けて行われました。

詳しい資料は≫

<論文タイトル>
“Coherent beam splitting of flying electrons driven by a surface acoustic wave”
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
伊藤 諒(イトウ リョウ)
理化学研究所 創発物性科学研究センター 量子電子デバイス研究チーム 特別研究員

山本 倫久(ヤマモト ミチヒサ)
理化学研究所 創発物性科学研究センター 量子電子デバイス研究チーム チームリーダー

樽茶 清悟(タルチャ セイゴ)
理化学研究所 創発物性科学研究センター 量子機能システム研究グループ グループディレクター

高田 真太郎(タカダ シンタロウ)
産業技術総合研究所 物理計測標準研究部門 研究員

<JST事業に関すること>
嶋林 ゆう子(シマバヤシ ユウコ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
理化学研究所 広報室 報道担当
産業技術総合研究所 広報部 報道室
科学技術振興機構 広報課

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