利用现有半导体制造技术,为量子比特集成化开辟道路

2016-08-250阅读0

  日本理化学研究所(理研)2016年8月22日宣布,利用由广泛用于工业领域的天然硅制成的半导体纳米设备,实现了具有量子计算所必需的高精度的“量子比特”(qubit)。由于可以使用现有的半导体集成化技术安装量子比特元件,因此,这次的成果将是实现大规模量子计算机的重要一步。

  

本次研究中使用的样本的电子显微镜照片

  背景的黑色为硅基板表面,9条棕色布线表示形成量子点使用的金属栅电极。另外,中心的2个浅蓝色小圆点是形成量子点的位置,左侧的大圆点代表电荷仪(照片摘自理研的发布资料)

  与只有0和1两种状态的传统计算机的比特不同,量子比特是0和1的“叠加态”。此前在少量量子比特的原理验证方面已进行了各种实验,包括光学元件、离子阱、超导电路、金刚石晶体中NV中心(氮-空位复合缺陷中心)、经过同位素控制的硅等多种体系。

  

拉比振荡测定方法的模式图(A)与测定结果(B)

  通过重复1000次单次读取,计算测定向上自旋的概率。观测到了接近理想的量子比特行为的正弦振动图案(拉比振荡)(图片摘自理研的发布资料)

  另一方面,使用天然硅的半导体元件作为当今电子学的基础,已经确立起了加工和集成化技术。为了实现量子计算机,必须大幅增加量子比特的数量,因此,通过使用天然硅,利用已经确立的半导体集成化技术来安装大量的量子比特元件的方法备受期待。其中存在的课题是,在作为母材的硅中,核自旋会成为扰乱量子比特状态的“噪声源”。

  研究人员这次利用表面栅电极,封闭天然硅Si/SiGe异质结构基板中的二维电子气,制作出了含有2个电子的量子点。在量子点的正上方,隔着绝缘膜(Al2O3)配置了微型磁铁,这是用来形成倾斜磁场(随位置变化的磁场)以操作量子比特的。

  在量子点的栅电极(C栅极)外加微波电压(VC)后,微波(波长1mm~100μm左右的电磁波)会使封闭在量子点中的电子的位置发生改变。这种位置的改变会在微型磁铁的倾斜磁场的作用下,转化成实际的磁场调制,能够引发相当于单一量子比特操作的电子自旋共振(电子自旋方向的变化)。

  向量子点的栅电极加载频率满足电子自旋共振条件的微波电压时,自旋状态随着时间推移,呈现出了接近理想行为的正弦振动图案(拉比振荡)。此时的量子比特操作速度约为0.05微秒,比之前的研究结果快100倍。在拉比振荡的衰减时间内可以进行100次以上的量子比特操作,能在受到噪声影响之前完成量子比特操作。

  另外,利用随机验证法测定衡量量子比特操作与理想操作近似程度的性能指数——保真度,得到的平均数值为99.6%,对于全部的单一量子比特操作,保真度均在99%以上。在使用天然硅中电子的量子比特元件中达到了最高数值。

  此次的研究成果已于2016年8月12日发表在美国的网络科学期刊《Science Advances》上。(特约撰稿人:工藤宗介)

  (全文完)