東大ら、量子計算に応用可能な電子状態を作り出す：エラーの起こりにくい素子を実現

東京大学らの研究グループは、高い品質の酸化物半導体に強い磁場を加えることで、量子計算への応用が可能な電子状態を作り出すことに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

重要なのは磁場の「大きさ」と「向き」

　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崎雅司教授らによる研究グループは2018年9月、高い品質の酸化物半導体に強い磁場を加えることで、量子計算への応用が可能な電子状態を作り出すことに成功したと発表した。エラーの起こりにくい量子計算機用素子を実現できる可能性を示した。

　今回の成果は、東北大学金属材料研究所の塚崎敦教授やマックス・プランク固体研究所のJurgen H.Smet（ヨルグン・シメット）博士らのグループと共同研究によるものである。

　量子力学の原理によって動作する量子計算機は、材料設計の演算や膨大なデータベース検索などの処理を極めて高速に実行できることから、実用化に向けた研究が世界的に進められている。

　特に、注目されているのは超電導の接合を量子ビットとして用いる量子計算機である。しかし、外乱の影響を受けやすく計算エラーが蓄積するという課題もある。このため、「分数量子ホール効果」と呼ばれる現象を用いる方法などが提案されてきた。しかし、この現象が安定的に観測される条件は、これまで明らかになっていなかったという。

　そこで今回、酸化亜鉛（ZnO）を低温に冷却し、強い磁場を加えて分数量子ホール効果を観測することにした。研究グループは2015年に、極めて品質が高い酸化亜鉛の単結晶薄膜を作製できる技術を発表している。今回はこの技術を用いて、ZnOとマグネシウム酸化亜鉛（MgZnO）を積層した試料を作製した。

酸化亜鉛試料の写真と構造の模式図 出典：東京大学他

酸化亜鉛試料の抵抗測定と分数量子ホール効果の測定結果 出典：東京大学他

　作製した酸化亜鉛試料を用いて、低温かつ強磁場中における電気抵抗を測定。これまで用いられてきたヒ化ガリウムと同様の分数量子ホール効果を観測することに成功した。試料を回転させ試料面と磁場方向の角度を変化させながら、分数量子ホール効果の測定も行った。電子が持つ「軌道運動」と「自転（スピン）」の、2つのエネルギー比を変化させるためである。

　この結果、指数が2分の5という特殊な分数量子ホール効果の観測に成功した。これは、分数量子ホール効果の中でも量子計算に用いることができる、特殊な電子状態を示すものだという。試料を磁場に対して回転させると、30°付近では指数が2分の5の分数量子ホール効果は一時消失した。回転し続けると再び分数量子ホール効果を観測することができた。

　これらの観測結果から、試料に対し磁場を加える方向を変化させることで、分数量子ホール効果の出現と消失を制御できることが分かった。今回の成果はエラーの起こりにくい量子計算機の物理系を安定に構築する手法として活用できるという。

　研究グループは、半導体微細加工技術と計測技術を組み合わせることで、酸化物薄膜は将来的に信頼性の高い量子計算を実現するための技術基盤になるとみている。