東京科学大学 小寺研究室

　シリコン中のホールスピンは核スピンとの超微細相互作用が小さく、長いコヒーレンス時間を持つとされています。また強いスピン軌道相互作用を持つため交流電場のみでスピン操作を実現することができ、電子スピン操作に必要な外部構造（マイクロマグネットやマイクロストリップライン）が不要であるという利点があります。このため実用的な量子コンピュータ実現に不可欠な量子ビットの大規模集積化に有利とされています。
本研究ではSOI(Silicon-On-Insulator)基板をエッチングして形成した物理形成量子ドットでのホールスピン操作の実装を目指しています。物理形成量子ドットはドットを形成するゲートが不要で、集積化に適した構造です。また、通常極低温下で動作する量子ドットの高温動作が期待され、冷凍機のサンプルスペースによる集積化の律速問題の解決策になると考えています。

量子ビットの集積化に向けてシリコンの多重量子ドット構造が注目を集めています。本研究ではこの集積化に向け、2次元的な集積化の最小単位である、3つの量子ドットを3角形状に結合したデバイス(TQD)をSilicon-on-insulator基板をエッチングすることで物理的に作製し、極低温でスピン読み出しに向けての要素技術の開発を行っています。
スピン量子ビットの読み出しを行うシンプルな方法として、電荷センサ(CS)のDC電流値から近傍の量子ドット(QD)の電子状態を観測する方法があります。本研究では、極低温下に設置したローパスフィルタなどを用いることで電流ノイズを低減し、また、パルス電圧をゲートに印加することで、ドット-リード間における単発のトンネル現象の観測を行いました。まず、任意波形発生装置から十分に緩やかな三角波と階段波を出力し、それぞれ別のサイドゲートに入力した際のCS電流の応答を調べました(Fig. 2 (a))。この結果において定常状態でのQD内の電子数変化(N-1個↔N個)を観測しました。続いて、この電子数変化が起こるようにパルスを印加することで、単発のトンネリング現象を捉えました(Fig. 2 (b, c))。パルスは3段階で構成されており、まず一段目で量子ドットからリードに電子をトンネリングさせ(N-1個)、次に新しい電子をリードからドットにトンネリングし(N個)、最後にQDのトンネリングを読み出します(N-1 or N個)。三段目で電流値が階段状に変化していることから、単発のトンネリングを観測に成功しました。
将来的にコヒーレンス時間内のスピン読み出しを行うことが必要なため、DC電流を用いたスピン読み出しよりも広帯域・高速な測定方法が求められます。このような測定系を実現するため、LC共振回路を量子ドットに結合し、RF波の反射率の変化からセンサの抵抗値の変化を観測するRF-SETという技術の開発がされてきました。本研究では、このRF-SETを物理形成量子ドットで実現しました。印加しているRF波の周波数をLC回路の共振周波数に固定し、ゲート電圧 V_GR1を変化させたときの結果をFig.3に示します。量子ドットに期待されるピーク状の電流値の変化が直流で観測されているが(Fig. 3 (a))、それに対応して反射率も変化していることから(Fig. 3 (b))、RF-SETの実現に成功しました。
今後は、これらの要素技術を組み合わせることで、高速なスピン読み出しを実現し、スピン緩和時間などのような量子ビットの重要なパラメーターの測定を行います。

量子ドットの大規模集積化に伴い、物理的に離れた位置に存在する量子情報間で効率的な量子操作を行うことが困難になるという問題が生じます。通常量子情報処理に利用される量子ドット間の相互作用はトンネル結合によって実現されるが、このような相互作用は距離に対して指数関数的に減衰するため、最近傍の隣り合った量子ドット間でしか効果がないとされてきました。しかし近年、隣り合っていない量子ドット間での相互作用(長距離相互作用)を示す実験結果が報告されています。
本研究では、シリコン直列３重量子ドットの左右の離れた量子ドットに着目することで、シリコン系における長距離相互作用の研究を行います。

一般的なシリコン量子ドットデバイスは、量子ドットの形成や制御に必要な電極の数が多いため、複数の量子ビットを集積することが困難です。一方、小寺研究室で研究を進めているSOIタイプの物理形成量子ドットデバイスは、量子ドット構造を電極で静電的に形成するのではなく、SOI層に電子ビーム露光を施すことにより物理的に量子ドット構造を形成するため、必要な電極の数を減らすことができます。現在は、このデバイスにおいて電極に電圧を印加した際の静電ポテンシャル分布やキャリア分布のシミュレーションに取り組んでおり、より集積に適したデバイス構造を探求しています。今後は、シミュレーションによる検討結果を元にデバイスの試作や測定も行う予定です。

近年NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum computer)が実用化の観点から注目を集めています。NISQは誤り訂正機能を持たない簡易的な量子コンピュータであるものの、量子科学計算など一部の分野ではその実用化が期待されています。また、将来的な誤り訂正機能付きの量子コンピュータ実現に向けても、量子アルゴリズムやアーキテクチャ研究への活用の観点から注目を集めています。
本研究では理化学研究所樽茶研究室と共同でSi/SiGe量子ドットを二次元集積したNISQ構造の提案を行っています。シリコンスピン量子ビットはqubitの専有面積が小さいため量子コンピュータの実用化に不可欠な大規模集積化に有利とされています。この特徴を生かし更なる集積化・実用化に向けた提案をしたいと考えています。

半導体スピン量子ビットチップは、熱エネルギーの影響を最小限にするために10 mK ~ 4 Kの極低温環境に設置されます。従来、このような環境下に設置された量子ビットは、室温部に設置された大型の装置群から室温〜極低温部に設置されたケーブルを通じて制御されてきました。しかし、この構成では、量子ビット数の増大に伴い、室温からの熱流入の増加、冷凍機内部の物理的なスペースの限界、制御信号の質の低下といった問題が発生します。これらの問題を解決するために、極低温下で量子ビットの制御信号を生成・処理する極低温エレクトロニクスの導入が不可欠となっています。そこで、本研究室では神戸大学との連携の元、極低温CMOS回路と半導体量子ビットデバイスを統合し、動作実証をする研究を推進しています。特に、最新の半導体集積回路でも用いられていて集積化に有望なインターポーザ技術に着目しており、最近では、ESD保護回路やセレクタ回路を備えたアクティブインターポーザへ半導体量子ドットデバイスをフリップチップ実装し、動作実証に成功しています [1,2]。現在は、より多彩で複雑な機能を備えた極低温CMOS回路と半導体量子ビットデバイスの統合を目指して研究を進めています。