阪大ら,電子2個から3種類のスピン状態を読出し

大阪大学と東京大学の研究グループは,量子ドット中の電子2個がとりうるスピン状態(電子スピン)のうち3つの状態の読み出しに成功した(ニュースリリース)。

電子1個の場合スピンは2種類だが,複数個の電子が作るスピンも量子情報処理に用いることができる。電子の個数を増やしていくと,スピン状態の数も増える。使えるスピン状態の数を増やすと,計算に必要なステップ数の削減や,スピンで表せる情報量の増加といったメリットが理論的に予想されている。

しかし、スピン状態の読み出しが複数のスピン状態のうちの2種類に限られていたため,現在のところ2種類のスピン状態を使った研究が主流で,複数のスピン状態を使った研究はほとんど行なわれてこなかった。

研究ではまず,ガリウム砒素(GaAs)をベースとした二次元電子上に量子ドットを作製し,量子ホール効果を用いた新たな2状態読み出し手法を確立した。この手法では,既存の手法と異なる2種類のスピン状態を読み出すことができる。

次に,この新規2状態読み出し手法と,既存の手法を組み合わせることで,3種類のスピン状態の読み出しに成功した。また,この3状態読み出し法を利用して各スピン状態の時間変動を観測し,スピン情報の保持時間の評価に成功した。

この成果により,3種類のスピン情報を利用するための基盤研究が可能になり,超高速・大容量の量子情報処理への応用が期待されるという。量子ドットは様々な物質で作ることができ,例えばシリコンを使った量子ドットはスピン情報を長時間保持できるというメリットがある。今回開発した読み出し法はシリコンを含めた様々な物質に適用できる。

また,研究は「異なる読み出し手法を組み合わせて複数のスピン状態を読み出す」という概念を世界で初めて実証した。今後,さらに多くのスピン状態を読み出せる手法の研究開発の指針となると期待され,3種類よりも多くのスピン状態を利用した,さらに一層大容量で高速処理が可能な新しい量子情報処理への道が開けるとしている。

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