東北大ら、半導体量子コンピュータ実現につながる発見

薄いSi28結晶を溶融石英板に貼りあわせた試料の概略

　東北大学 大学院理学研究科およびスピントロニクス国際共同大学院らによる研究グループは7月21日、強いスピン軌道相互作用と長いコヒーレンス時間を両立する量子ビット材料を発見したと発表した。

　大規模な量子コンピュータの実現に向けて、長いコヒーレンス時間と既存の半導体製造設備との親和性から、半導体中のスピンを利用した量子ビットが注目されている。量子コンピュータでは電場を通じた量子ビットの制御が必要なため、これまでは強いスピン軌道相互作用をもつ材料が量子ビットに用いられてきた。しかし、これらの材料を使用した量子ビットはコヒーレンス時間が100ns～1μs程度と短く、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困難だった。

　今回研究グループでは、Si28結晶中のホウ素不純物原子に束縛された正孔に着目。シリコン中の正孔は強いスピン軌道相互作用を持っており、とくにホウ素原子に束縛された正孔の場合、特異なエネルギー準位配置が実現し、外場によるスピン軌道相互作用の制御が容易となる。今回は薄いSi28結晶を溶融石英板に貼りあわせてわずかに歪ませ、スピン軌道相互作用を調整した。

Hahnエコー法によるコヒーレンス時間の測定結果

Carr-Purcell-Meiboom-Gill法によるコヒーレンス時間の測定結果

　このSi28結晶に含まれるホウ素不純物に対して、低周波ノイズの影響を排除したコヒーレンス時間が得られる「Hahnエコー法」を用いて測定した。その結果、一般的なスピン量子ビット測定と同等の極低温下において、ホウ素原子に束縛された正孔が0.9msのコヒーレンス時間を持つことが確認された。

　これは歪みを加えていない場合の23μsと比べて1桁以上長く、歪みによるスピン軌道相互作用の制御によってコヒーレンス時間が改善されている。加えて、Hahnエコー法より強くノイズの影響を除去する「Carr-Purcell-Meiboom-Gill法」を用いて、電磁場の揺らぎの影響を抑えて計測したところ、9msまで延長できることもわかった。

　スピン軌道相互作用の強い従来の量子ビットと比べて10,000～100,000倍長いコヒーレンス時間を示しており、同作用が弱いスピン量子ビットに匹敵する値となっている。この結果は、強いスピン軌道相互作用を持つ正孔系で、長いコヒーレンス時間を両立できる量子ビットの実現につながるとしている。

　このような量子ビットは、単純なデバイス構造で実装でき、多数の量子ビットの集積が容易に可能。大規模な量子計算において重要な量子ビット間の長距離結合にも有利だとしており、半導体量子コンピュータの開発を後押しする。