東大ら,酸化物半導体で量子計算に使える電子状態を実現

東京大学と東北大学は共同で,酸化物半導体に強い磁場を加えることにより,エラーの起こりにくい量子計算に応用可能な電子状態を作り出すことに成功した(ニュースリリース)。

現在,量子計算機の開発では超伝導体の微小接合を用いる手法が研究の主流であるが,大規模化やエラーの訂正を行なうことが困難であると指摘されている。そのため,集積化が可能な半導体中の電子に強い磁場を加えることで,特殊な状態を作り出し,この状態の位相の不連続性を利用して原理的に計算過程でのエラーを発生させない量子情報媒体が提案されている。

この電子状態は,不純物が極めて少ないヒ化ガリウムで実現されてきたが,電子濃度などの物理パラメーターを精密に制御する必要があり,安定して発現させるための条件が明らかでなかった。

研究グループは,代表的な酸化物半導体である酸化亜鉛を低温に冷却し強い磁場を加えることで,分数量子ホール効果の観測を試みた。分数量子ホール効果は電子間にクーロン相互作用による有効的な斥力や引力が働くと発現することが知られている。

酸化物はヒ化ガリウムなどの化合物半導体より電子間のクーロン相互作用が強く,分数量子ホール効果の発現には有利だと考えられているという。酸化物半導体は通常欠陥が多く,分数量子ホール効果が観測される品質の結晶が作製されているのは酸化亜鉛に限られている。

研究グループは酸化亜鉛薄膜を用いて,低温・強磁場中で電気抵抗の測定を行なった結果,ヒ化ガリウムと同様の分数量子ホール効果を観測することに成功した。さらに,試料を回転させ試料面と磁場方向の角度を変化させながら分数量子ホール効果の測定を行なった。

これは,電子の持っている,軌道運動と自転(スピン)の2つのエネルギーの比を変化させるためであり,分数量子ホール効果の安定性を変化させられると期待できる。ヒ化ガリウムでは電子相関が弱く軌道運動が優勢のため,試料の回転は分数量子ホール効果の安定性にほとんど影響を及ぼさず,この手法は酸化物に特有だという。

その結果,分数量子ホール効果の中でも量子計算に用いることができると理論的に予測される,指数が5/2という特殊な分数量子ホール効果の観測に成功した。さらに,試料を磁場に対して回転させると,30度付近で指数が5/2の分数量子ホール効果は一旦消失するものの,数度さらに回転させることで再度現れることが観測された。

この結果は試料に対し磁場を加える方向を変化させることで,分数量子ホール効果の出現と消失を制御できることを示しており,エラーの起こりにくい量子計算機の物理系を安定に構築する新たな手法を開発したといている。

今回の研究では,化学的に安定で高品質な酸化物を用いることで,量子計算に用いることのできる特殊な分数量子ホール状態の観測に成功し,特定の磁場の方向でこの出現と消失を制御できることを発見した。今後,酸化物材料を基盤とする信頼性の高い量子計算の実現が期待されるという。

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