プレスリリース・研究成果

高品質な酸化物半導体で量子計算に利用できる電子状態を作り出すことに成功―エラーの起こりにくい量子計算機用素子に新たな展望―

2018/09/18

発表のポイント

  • 高品質な酸化物半導体に強い磁場を加えることで、エラーが起こりにくい量子計算が可能とされる、特殊な電子状態を作り出すことに成功した。
  • このような電子状態は、これまで極めて不純物の少ないヒ化ガリウムで実現されていたが、今回酸化物半導体で初めて観測され、この電子状態が形成されるためには磁場の大きさだけでなく、磁場の向きが重要であるという新たな知見が得られた。
  • 量子計算を行う際、計算エラーは結果の信頼性に致命的であることが知られているが、今回得られた研究成果は、酸化物半導体を用いた信頼性の高い量子計算実現に向けた基盤となる。

概要

 東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授は、東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センター・物理工学専攻の川﨑雅司教授(理化学研究所創発物性科学研究センター強相関界面研究グループ グループディレクター)が率いる研究グループと、マックス・プランク固体研究所のJurgen H. Smet(ヨルグン・シメット)博士のグループと共同で、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ました。
 現在、量子計算機の開発に世界中の研究者がしのぎを削っており、超伝導体の微小接合を用いる手法が研究の主流ですが、大規模化やエラーの訂正を行うことが困難であると指摘されています。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実現可能であると理論的に提案されています。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ましたが、電子濃度などの物理パラメータ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ありませんでした。
 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、ヒ化ガリウム以外でこの電子状態を観測することに成功しました。また、外部磁場の向きが大きな影響を与えることを初めて見出しました。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ます。
 本研究は科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業個人型研究(さきがけ)「量子の状態制御と機能化(研究総括:伊藤 公平)」の研究課題「量子計算のための高品質酸化亜鉛を用いた材料基盤創出(代表者:小塚 裕介)」(No. JPMJPR1763)、戦略的創造研究推進事業チーム型研究(CREST)「二次元機能性原子・分子薄膜の創製と利用に資する基盤技術の創出(研究総括:黒部 篤)」の研究課題「トポロジカル絶縁体ヘテロ接合による量子技術の基盤創成(代表研究者:川﨑 雅司)」(No. JPMJCR16F1)、ドイツ研究振興協会(FA 1392/2-1)の支援を受けて行われました。

 本成果の詳細は、2018年9月14日に米国オンライン科学雑誌「Science Advances」でオンライン公開されました。

 詳細1: プレスリリース本文 [PDF: 454KB]

 詳細2: Science Advances ウェブサイト [10.1126/sciadv.aat8742 ]

 

酸化亜鉛試料の写真と構造の模式図

酸化亜鉛試料の写真と構造の模式図
酸化亜鉛(ZnO)とマグネシウム酸化亜鉛(MgZnO)を積層した試料の写真(左図)と積層構造の模式図(右図)。今回、試料を磁場中で回転させることによって量子ビットとして利用できる特殊な電子状態を観測した。