シリコン内電子スピンの量子非破壊測定に成功：電子スピン情報をいったん別に転写

理化学研究所（理研）と東京工業大学の共同研究チームは、シリコン内電子スピンの「量子非破壊測定」に成功した。量子コンピュータにおける量子誤り訂正の機能を実現することが可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

量子コンピュータで量子誤り訂正を可能に

　理化学研究所（理研）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の米田淳研究員（研究当時）と樽茶清悟グループディレクター、東京工業大学の小寺哲夫准教授らによる共同研究チームは2020年3月、シリコン内電子スピンの「量子非破壊測定」に成功したと発表した。量子コンピュータにおける量子誤り訂正の機能を実現することが可能となる。

　シリコン中の単一電子スピンを応用した量子コンピュータは、新しい動作原理に基づく次世代コンピュータとして注目されている。こうした中で、シリコン中の単一電子スピンを読み出す手法としてこれまで主に用いられてきた、電子スピンを電荷に変換して検出する方法は、スピン状態が必要以上に破壊されるため、量子誤り訂正などの処理が難しかったという。

　共同研究チームは今回、イジング型の相互作用を用い、隣接する別の電子スピンに情報をいったん転写して読み出すことで、量子非破壊測定を初めて実現した。実験では、シリコン中に2つの電子スピンを隣り合わせで閉じ込められる試料を用いた。電極に電気信号を加えると、電子スピンを自在に制御できる構造である。また、転写する時に、測定するスピン量（上向きか下向きか）が壊れないよう、局所的な磁場を加えるための極めて小さい磁石を、試料上部に取り付けた。

　電子スピンをいったん転写した後に、転写先の電子スピンの向きを電荷へ変換する方法で読み出す方式である。この方式により、検出速度の高速性と非破壊性を両立させることに成功した。しかもこの手法は、拡張性への制約が少ないことも実証されたという。

単一の電子スピンを読み出す従来の方法と今回用いた方法との比較 出典：理研

今回の研究に用いた試料の構造図 出典：理研

　開発した量子非破壊測定は、「非破壊性」と「読み出し」の機能を備えている。これらの機能を組み合わせることで、電子スピンの向きを確定させる「初期化」を実装できるという。その精度は非破壊性が99％、読み出しと初期化は80％である。

量子非破壊測定が備える3つの機能 出典：理研

　量子非破壊測定は、単一電子スピンを繰り返し測定できるのも大きな特長である。これを行うことで、読み出し精度を最大95％に高めることができるという。さらに、観測結果から精度の高い事象を予測する手法を開発。下向きスピン状態への初期化（向きの確定）の精度を、最大約99.6％に高められることも分かった。

量子非破壊測定の性能評価 出典：理研