【本学研究者情報】

〇材料科学高等研究所/電気通信研究所　准教授　大塚朋廣
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 半導体量子ドット^（注1）の測定により得られる電荷状態安定図^（注2）から、人工知能（AI）に含まれる機械学習を用いて電荷遷移線^（注3）を自動的に抽出し、線の角度と位置を特定する手法を提案しました。
• 上記の結果をもとに、量子ドットの大規模化の際に有用となる仮想ゲートの定義や、量子ドットの単一電子領域の特定を自動で行う手法を提案、実証しました。
• 本手法を活用することで、将来的に人手では不可能なレベルの多数の半導体スピン量子ビット^（注4）の調整を可能にし、量子コンピューター^（注5）の大規模化につながることが期待されます。

【概要】

半導体スピン量子ビットは集積性や既存の半導体技術との親和性の高さなどの観点から、量子コンピューターの構成要素として期待されています。量子コンピューターの実用化のためには、大量の量子ビットが必要とされることから、これらをより効率的に調整する手法を開発することが重要です。

東北大学大学院工学研究科の武藤由依大学院生（電気通信研究所配属）、同未踏スケールデータアナリティクスセンターのMichael R. Zielewski特任助教（研究当時、同大学院情報科学研究科所属）、同大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の篠﨑基矢特任助教と大塚朋廣准教授（電気通信研究所兼任）らの研究グループは、量子ドットの測定から得られる電荷状態安定図をAIモデルの一種であるU-Netに学習させることで、図上に現れる電荷遷移線の自動抽出を実証しました。さらに、抽出結果を画像処理技術やクラスタリング手法を用いて解析することで、量子ドットの大規模化の際に有用となる仮想ゲートの定義や、量子ドットの単一電子領域の特定を自動で行う手法を提案、実証しました。今後は本手法を用いて、より多数のスピン量子ビット自動調整の実証を目指し、量子コンピューターの大規模化に貢献することが期待されます。

本研究成果は、2026年2月14日（現地時間）に科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載されました。

図1. 本手法全体の流れ。測定で得られた電荷状態安定図をU-Netモデルに入力し、電荷遷移線を自動的に抽出。その後、ハフ変換で直線検出を行い、その結果をクラスタリングする。最終的には単一電子領域を仮想ゲート軸で表示するところまで自動で行うことができる。

【用語解説】

注1. 半導体量子ドット
電子が三次元的に閉じ込められた寸法が数十ナノメートル程度（nm：ナノは10億分の1）の半導体。量子箱とも言う。

注2. 電荷状態安定図
量子ドットのゲート電極電圧を変化させたときの電荷状態を表す図。各量子ドット中の電子数に応じてセンサ信号が変化するので、この図を確認することでゲート電極電圧を操作した際の各量子ドット中の電子数が分かる。

注3. 電荷遷移線
電荷状態安定図中で、量子ドット中の電子数が変化した際に電荷センサ信号が変わることによって、電荷状態が遷移する箇所を示す線。

注4. 半導体スピン量子ビット
量子コンピューターの計算素子である量子ビットの実装法の1つ。半導体量子ドット中に電気的に閉じ込められた電子のスピンをビットとして活用する。

【論文情報】

タイトル：Automatic detection of single-electron regime and virtual gate definition in quantum dots using U-Net and clustering
(U-Netとクラスタリングによる量子ドットの単一電子領域検出と仮想ゲート定義の自動化)
著者：Yui Muto, Michael R. Zielewski, Motoya Shinozaki, Kosuke Noro, and Tomohiro Otsuka*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所 准教授 大塚朋廣
掲載誌：Scientific Reports
DOI：10.1038/s41598-026-38889-7

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学　材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
（兼）東北大学　電気通信研究所
（兼）東北大学　大学院工学研究科
（兼）東北大学　Tohoku Quantum Alliance (TQA)
（兼）東北大学　先端スピントロニクス研究開発センター
准教授　大塚　朋廣
TEL: 022-217-5509
Email: tomohiro.otsuka*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
広報戦略室
TEL: 022-217-6146
Email: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）