2020年 | プレスリリース・研究成果
機能性と耐久性を両立した量子ビット材料を発見 －半導体量子コンピュータの開発に新たな道筋－
【発表のポイント】
- シリコン中のホウ素原子に束縛された正孔（注1）のスピン（注2）において、長いコヒーレンス時間（注3）を実現。
- これまで困難とされてきた、強いスピン軌道相互作用（注4）と長いコヒーレンス時間の両立に成功。
- ホウ素原子によって量子ビット（注5）を形成することにより、高い拡張性を備えた半導体量子コンピュータ（注6）の実現が期待される。
【概要】
量子コンピュータを構築する上では、強いスピン軌道相互作用と長いコヒーレンス時間の両立が大きな課題となっています。東北大学大学院理学研究科の小林嵩助教（研究当時）らの国際共同研究グループは、弱い圧力を加えたシリコン中のホウ素原子に束縛された正孔において、非常に長いコヒーレンス時間を観測しました。今回の成果は従来の知見を覆し、強いスピン軌道相互作用と長いコヒーレンス時間が両立可能であるということを示しています。この研究結果から、シリコン中のホウ素原子によって量子ビットを形成することで、スピン軌道相互作用を利用した高い機能性と拡張性を実現できることが示されました。半導体ベースの量子コンピュータの開発への新たな道筋となります。
本研究は英国科学誌「Nature Materials」のオンライン版に2020年7月21日午前0時（日本時間）に掲載しました。
図１：試料の概略。ホウ素不純物がドープされた厚さ50マイクロメートルの28Si結晶と厚さ1ミリメートルの溶融石英板がエポキシ接着剤によって貼り合わされている。室温では28Si結晶に結晶歪はかかっていないが、低温では28Si結晶と溶融石英の熱膨張係数の違いのため、28Si結晶側が貼り合わせ面に対して平行に引き延ばされるような結晶歪が加わる。
【用語解説】
（注1）正孔
半導体の価電子帯における電子の空隙に対応する粒子。電子と反対の正の電荷とスピンの自由度を持つ。
（注2）スピン
電子や正孔といった粒子が持つ角運動量の内部自由度のこと。この角運動量は離散的な値を取り、スピンの量子状態はそれらの値によって特徴づけられる。この量子状態によって定義された量子ビットをスピン量子ビットと呼ぶ。
（注3）コヒーレンス時間
スピンをはじめとした量子的な実体が干渉可能な状態を保持する時間の長さ。量子情報技術においては、量子情報を保持する時間の長さと言い換えることができる。
（注4）スピン軌道相互作用
スピンと軌道角運動量の間の結合係数。スピンに対して電場との結合を与えるために利用される。
（注5）量子ビット
0と1の2状態からなる、量子情報の最小単位。通常の古典的な情報処理に用いられるビットと異なり、0と1のいずれかの状態に加えて両者の重ね合わせ状態を取ることができる。0と1の状態に、例えばスピンの角運動量状態のような量子状態を割り当てることで実装できる。
（注6）量子コンピュータ
情報を量子ビットによって表現して処理する計算機。従来のコンピュータでは膨大な時間がかかる因数分解などの問題を短時間で解ける量子アルゴリズムを実行できる。
問い合わせ先
（研究に関すること）
理化学研究所創発物性科学研究センター
研究員 小林 嵩（こばやし たかし）
E-mail：kobayashi20131124*gmail.com（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学大学院理学研究科
広報・アウトリーチ支援室
電話：022−795−6708
E-mail：sci-pr*mail.sci.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）