東北大学、Pビット素子の状態更新を100倍高速に：高速動作の物理的起源も解明

東北大学電気通信研究所の研究チームは、スピントロニクス疑似量子ビット（確率ビット＝Pビット）素子を、従来に比べ100倍超も高速動作させることができる技術を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

高性能確率論的コンピュータの研究開発を加速

　東北大学電気通信研究所の金井駿助教と早川佳祐博士前期課程学生、大野英男教授（現総長）および、深見俊輔教授らによる研究チームは2021年3月、スピントロニクス疑似量子ビット（確率ビット＝Pビット）素子を、従来に比べて100倍超も高速動作させられる技術を開発したと発表した。また、動的磁化状態の「エントロピー」を考慮することで、その物理的起源が説明できることも明らかにした。

　MRAMなどに用いられる磁気トンネル接合素子では、状態の「ゆらぎ」などによって、ある一定の確率で情報の喪失（物忘れ）が起こる。「0」と「1」の状態間でエネルギー障壁が十分に高いと「物忘れ」を抑えることができる。逆にエネルギー障壁が低い場合、2つの状態遷移を短い時間周期で繰り返すことができるという。

　東北大学は2019年に米国Purdue大学と共同で、性質が不確定な2状態の重ね合わせ状態を取れる量子ビット（Qビット）と類似しているPビットを開発した。そして、ビット状態が1秒間に約1000回書き換わる（物忘れする）磁気トンネル接合素子を連結し、確率論的コンピュータの原理実証に成功した。ただ、計算の速度や精度をさらに向上させるためには、「ゆらぎ」による状態の更新頻度を格段に高める必要があった。

　研究チームは今回、電気通信研究所附属ナノ・スピン実験施設の設備を活用し、面内磁化容易軸を持つ磁気トンネル接合を作製した。試作した素子の特性をオシロスコープで観測したところ、状態が毎秒1億回を超える速さで更新されていることが分かった。測定した信号から平均8ナノ秒で「0」と「1」の状態が遷移していることを確認した。この値は、これまで報告されている磁気トンネル接合の状態更新最短時間980ナノ秒に比べて、100倍以上も高速だという。

上図は作製した磁気トンネル接合素子の構造と走査型電子顕微鏡像。下図は素子抵抗の外部磁場依存性と対応する状態の模式図 出典：東北大学

磁気トンネル接合の状態更新を観測した結果 出典：東北大学

　研究チームは、今回の研究成果が磁化の熱ゆらぎに関する新しい理論的枠組みで説明できることも明らかにした。決定論的運動方程式（ランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式）と確率論的運動方程式（フォッカー・プランク方程式）を組み合わせた方程式を用い、観測したナノ秒での状態間遷移の挙動を数値計算シミュレーションで再現した。

　エントロピーが動的に変化する様子を理論計算で調べ、エントロピーの増大速度が従う方程式を論理的に導き出した。この方程式により面内磁化容易軸を持つ磁性体では、垂直方向の磁気異方性の絶対値が大きいほどエントロピーは急速に増大し、「物忘れ」が高速に進むことを説明できるという。

　今回試作した素子に用いた材料は、現行の半導体回路製造技術とも整合性が高い。このため、高性能確率論的コンピュータを実現するための基盤技術になるとみられている。