量子機能システム研究グループ

主宰者

主宰者名 樽茶 清悟 Seigo Tarucha
学位 工学博士
役職 グループディレクター
略歴
1978 日本電信電話公社(武蔵野電気通信研究所基礎研究部)(現NTT基礎研究所)入社
1985 基礎研究部 研究調査員(現主任研究員)
1986 マックスプランク固体研究所(独) 客員研究員
1989 基礎研究所 主幹研究員
1990 基礎研究所 研究グループリーダ
1994 基礎研究所 研究グループリーダ兼特別研究員
1995 デルフト工科大学(蘭)客員教授
1998 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 教授
2004 同 工学系研究科物理工学専攻 教授
2012 CNRS ネール研究所、 ジョセフ-フーリエ大(仏) 招聘教授
2013 理化学研究所 創発物性科学研究センター 量子情報エレクトロニクス部門 部門長
2013 同 創発物性科学研究センター 量子機能システム研究グループ グループディレクター(現職)
2018 同 創発物性科学研究センター 副センター長(現職)
2019 東京理科大学大学院理学研究科物理学専攻 客員教授(現職)
2020 理化学研究所 創発物性科学研究センター 半導体量子情報デバイス研究チーム チームリーダー(現職)

研究室概要

固体中の量子状態の制御を原理とする量子情報処理の物理と技術との研究を行なっている。量子情報処理は、エネルギー損失を抑え、安全性を確保できる理想的な情報技術である。我々は、その有効性を半導体中のスピンの量子コヒーレンスと量子もつれの操作、トポロジカル操作、光-スピン変換などの概念に基づいて検証し、新原理、新技術による革新的な応用の道筋を付けることを目指す。具体的には、シリコンのスピンによる小規模量子情報処理回路の構築と同回路中での量子コヒーレンスや量子もつれの制御法の開発、革新的な量子情報デバイスの開発、そして新原理の量子情報を提供する、トポロジカル粒子制御法の物理と技術の探求を課題とする。

研究分野

物理学、工学

キーワード

量子情報デバイス
量子もつれ
量子コヒーレンス
スピン制御
トポロジカル粒子

研究紹介

半導体量子ビットの量子非破壊測定

シリコン中の単一電子スピンを用いた量子コンピュータは、半導体プロセス技術による大規模化が期待されることから活発に研究されている。しかし、通常スピンを読み出す際に状態が破壊されるため、誤り訂正をはじめとする、有用な測定ベースのプロトコルの実行が困難であった。我々は、イジング型相互作用を利用して隣接電子に情報を転写、測定することにより、量子非破壊測定に初めて成功した。

実験では、まず、スピン共鳴を利用して電子スピンの任意の量子ビット状態(主ビット)を作る。次に、主ビットを補助ビットと一定時間結合させることにより、両者の間に量子力学的なもつれ相関を作る。その後、補助ビットを測定すると、主ビットの状態を直接測定することなく判定できる。これは、測定行為によって主ビットに誤りを起こすことがない量子射影測定である(量子非破壊測定)。この原理を使うと、補助ビットの繰り返し測定によって、主ビットの測定精度を大きく上げられる。

本成果は、量子誤り訂正回路の具体的な実装法を示すもので、半導体量子コンピュータの大規模化の原理的ブレークスルーになるものと期待される。

図

図(左) 実験に用いた二重量子ドット試料の模式図。 (右) 量子非破壊測定の概念図。

 

シリコン量子ドットで超高忠実度量子ビットを実現

次世代のコンピュータの候補として、新しい動作原理に基づく量子コンピュータの研究が世界的に活発化してきている。その情報を担う最小単位を量子ビットと呼び、量子コンピュータの実用化には高性能な量子ビットを大量に並べる必要がある。シリコン量子ドットを用いて高性能な量子ビットを実現できれば、集積の際にエレクトロニクス技術が応用できると期待されている。

量子ビットを高性能化するには、トレードオフの関係にある情報保持時間と演算速度の両立が鍵となる。本研究では、情報保持時間を改善するため核スピンをもつ同位体を排除したシリコン基板上に量子ドット(図A)を作製し、演算速度向上のため磁場勾配を付与する微小磁石を近傍に配置した。これにより通常の約10倍の量子情報保持時間と約100倍の演算速度を同一試料で実現し、量子情報を保持したままの量子ビット操作(図B)が可能となった。その演算忠実度(精度)は99.9%と、量子コンピュータに必要とされる水準を達成した。

本成果は、産業集積化に適していると考えられるシリコン量子ドットで超高忠実度な量子ビット実装法を確立するもので、今後のシリコン量子コンピュータ開発の加速が見込まれる。

 

図

(図A) 用いた量子ドット量子ビット試料の概念図
(図B) 超高忠実度スピン回転操作により生じるシェブロン模様

メンバー一覧

樽茶 清悟 Seigo Tarucha

グループディレクター tarucha[at]riken.jp R

中島 峻 Takashi Nakajima

上級研究員

武田 健太 Kenta Takeda

研究員

Leon Luca Caspar Camenzind

訪問研究員

野入 亮人 Akito Noiri

基礎科学特別研究員

松尾 貞茂 Sadashige Matsuo

基礎科学特別研究員

大塚 朋廣 Tomohiro Otsuka

客員研究員

Michael Desmond Fraser

客員主管研究員

溝口 来成 Raisei Mizokuchi

客員研究員

Xin Liu

テクニカルスタッフI

佐藤 洋介 Yosuke Sato

リサーチアソシエイト

井本 隆哉 Takaya Imoto

研修生

山田 季弥 Toshiya Yamada

研修生

松岡 竜太郎 Ryutaro Matsuoka

研修生

主要論文

  1. A. Noiri, K. Takeda, T. Nakajima, T. Kobayashi, A. Sammak, G. Scappucci, and S. Tarucha

    Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon

    Nature 601, 338+ (2022)
  2. T. Nakajima, A. Noiri, K. Kawasaki, J. Yoneda, P. Stano, S. Amaha, T. Otsuka, K. Takeda, M. R. Delbecq, G. Allison, A. Ludwig, A. D. Wieck, D. Loss, and S. Tarucha

    Coherence of a Driven Electron Spin Qubit Actively Decoupled from Quasistatic Noise

    Phys. Rev. X 10, 011060 (2020)
  3. J. Yoneda, K. Takeda, A. Noiri, T. Nakajima, S. Li, J. Kamioka, T. Kodera, and S. Tarucha

    Quantum non-demolition readout of an electron spin in silicon

    Nat. Commun. 11, 1144 (2020)
  4. K. Ueda, S. Matsuo, H. Kamata, S. Baba, Y. Sato, Y. Takeshige, K. Li, S. Jeppesen, L. Samuelson, H. Xu, and S. Tarucha

    Dominant nonlocal superconducting proximity effect due to electron-electron interaction in a ballistic double nanowire

    Sci. Adv. 5, eaaw2194 (2019)
  5. T. Fujita, K. Morimoto, H. Kiyama, G. Allison, M. Larsson, A. Ludwig, S. R. Valentin, A. D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha

    Angular momentum transfer from photon polarization to an electron spin in a gate-defined quantum dot

    Nat. Commun. 10, 2991 (2019)

研究紹介記事