理研ら,シリコンスピン量子ビットを高速読み出し

理化学研究所(理研),東京工業大学の研究グループは,シリコン量子ドットデバイス中の電子スピンの高速読み出しに成功した(ニュースリリース)。

超並列計算を実行する量子コンピューターではさまざまな物理系を用いた研究が進められているが,なかでもシリコン量子ドット中の電子スピンを用いた「シリコンスピン量子コンピュータ」は,高精度制御に優れることに加えて,既存産業の集積回路技術と相性が良いことから,大規模量子コンピュータの実装に適していると考えられている。

しかし,シリコンスピン量子コンピュータ実現に向けて解決すべき課題の一つとして,量子ビットの高速かつ高精度な読み出しがある。

通常,単一電子スピンの向きの直接的な測定は困難なため,量子ビットの読み出しは,量子ビットの情報をスピン電荷変換によって測定が容易な電荷状態に変換し,電荷検出することで達成している。

これまでの研究により,スピン電荷変換を高速かつ高精度に実行する技術は確立しており,高性能な電荷検出技術の開発が急務となっていた。

今回,研究グループは,高周波反射測定法が適用可能なシリコン量子ドット試料の設計を明らかにした。量子ドット構造は,シリコンスピン量子コンピューターで一般的に用いられている,シリコン/シリコンゲルマニウム量子井戸基板上に金属微細加工を施すことで作製した。

この量子ドットを用い,スピン量子ビットの読み出しが高速かつ高精度であるかを調べたところ,実際に99%以上の精度を維持したうえで読み出し時間を10分の1に改善することに成功した。

この成果は,近年進展が著しいシリコンスピン量子コンピューターの今後の試料設計に指針を与え,基本原理検証を超えた大規模化に向けた研究開発をより一層加速させるものとだとしている。

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