JP4845375B2 - Quantum device, control method thereof, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、量子キュービットを備えた量子デバイス、その制御方法及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a quantum device including quantum qubits, a control method thereof, and a manufacturing method thereof.
量子コンピュータを構成する量子キュービット(ビット)を形成する種々の方法が検討されている。また、核スピンは、量子キュービットの候補として好ましい。これは、そのデコヒーレンス時間が10-2秒〜108秒と長いからである。そこで、液体状態の核スピンキュービットについて検証が行われている(特許文献1)。この文献には、1/2の核スピンを有する多量の原子(例えば、1H、13C、19F、15N及び31P)を含む分子を溶解した溶媒に対し、核スピン量子コンピュータの操作として核磁気共鳴(NMR:nuclear magnetic resonance)を起こさせることが記載されている。1/2の核スピンを有する原子は、夫々キュービットとして動作する。また、分子内では、異なるサイトに位置する原子間では共鳴周波数が異なるため、各キュービットを独立して操作することが可能である。このような技術によれば、量子フーリエ変換や小さい素数の因数分解を行うことができる。しかしながら、液体状態のデバイスでは小型化が困難である。 Various methods for forming quantum qubits (bits) constituting a quantum computer have been studied. Nuclear spins are preferred as quantum qubit candidates. This is because the decoherence time is as long as 10 −2 seconds to 10 8 seconds. Therefore, verification has been conducted on a nuclear spin qubit in a liquid state (Patent Document 1). This document describes the operation of a nuclear spin quantum computer in a solvent in which a molecule containing a large amount of atoms having a nuclear spin of 1/2 (eg, 1 H, 13 C, 19 F, 15 N and 31 P) is dissolved. Is described as causing nuclear magnetic resonance (NMR). Each atom having a 1/2 nuclear spin operates as a qubit. Further, in the molecule, since the resonance frequencies are different between atoms located at different sites, each qubit can be operated independently. According to such a technique, it is possible to perform quantum Fourier transform and factorization of small prime numbers. However, it is difficult to reduce the size of the device in a liquid state.
そこで、固体状態の核スピンキュービットが必要とされている。そして、例えば非特許文献2に、Siを主材料とした核スピン量子コンピュータが提案されている。この量子コンピュータでは、28Si内で1/2の核スピンを有する31P原子がキュービットとして用いられており、静電場の印加と共鳴無線周波数(rf)との組み合わせにより核スピンの回転が行われている。また、2個のキュービットからなる量子ゲートが、隣り合う31P原子の静電ゲート及び共鳴無線周波数の組み合わせにより行われている。
Therefore, there is a need for solid state nuclear spin qubits. For example, Non-Patent
しかしながら、このような量子コンピュータでは、静電ゲートを用いた電子雲の正確な操作が極めて困難である。また、核スピン原子を1個ずつ各キュービットに正確に配置することも極めて困難である。 However, in such a quantum computer, it is very difficult to accurately operate an electron cloud using an electrostatic gate. It is also extremely difficult to accurately place nuclear spin atoms one by one in each qubit.
本発明の目的は、固体状態であっても容易に制御することができる量子デバイス、その制御方法及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a quantum device that can be easily controlled even in a solid state, a control method thereof, and a manufacturing method thereof.
本願発明者は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventor has come up with various aspects of the invention described below.
本発明に係る量子デバイスは、量子キュービットを有する。この量子キュービットには、量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の不純物原子からなる核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、が含まれている。 The quantum device according to the present invention has quantum qubits. The quantum qubit includes a quantum ring, a nuclear spin composed of a single impurity atom surrounded by the quantum ring, and a quantum dot adjacent to the quantum ring.
本発明に係る量子デバイスの制御方法は、量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の不純物原子からなる核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、含む量子キュービットを有する量子デバイスを制御する方法を対象とする。そして、光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる。 The quantum device control method according to the present invention includes a quantum ring, a nuclear spin composed of a single impurity atom surrounded by the quantum ring, a quantum dot adjacent to the quantum ring, and a quantum qubit including a quantum qubit. Intended for a method of controlling a device. Then, electrons existing in the quantum ring are moved into the quantum dots by optical excitation.
本発明に係る第1の量子デバイスの製造方法では、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成した後、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する。次に、前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する。但し、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる。 In the first method for producing a quantum device according to the present invention, in a water-containing atmosphere, a probe of an atomic force microscope to which a negative bias is applied is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, so that the surface of the semiconductor substrate is After forming the annular oxide film and the dot-like oxide film adjacent to each other, the annular oxide film and the dot-like oxide film are removed, so that an annular groove and a dot-like film are formed on the surface of the semiconductor substrate. A depression is formed. Next, a quantum film and a quantum dot are formed by growing a semiconductor film in the groove and the recess. However, before the step of forming the groove and the depression, a single impurity atom is attached to the center of the annular oxide film.
本発明に係る第2の量子デバイスの製造方法では、半導体基板の表面の量子リングを形成しようとする位置に単一の不純物原子を導入した後、水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する。次に、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する。次いで、前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する。そして、前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する。 In the second method for manufacturing a quantum device according to the present invention, after introducing a single impurity atom at a position where a quantum ring is to be formed on the surface of the semiconductor substrate, a negative bias is applied in an atmosphere containing water. An applied atomic force microscope probe is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, and an annular oxide film and a dotted oxide film are formed adjacent to each other on the surface of the semiconductor substrate. Next, the periphery of the annular oxide film and the dotted oxide film is oxidized. Next, the annular oxide film and the dotted oxide film are removed, and the oxidized portion around the annular oxide film is removed, thereby forming an annular groove and a dotted depression on the surface of the semiconductor substrate. And a quantum ring and a quantum dot are formed by growing a semiconductor film in the said groove | channel and a hollow.
本発明によれば、固体状態の量子デバイスであっても、量子リングと量子ドットとが互いに隣接しているため、容易に核スピンの制御を行うことができる。例えば、電子が量子リング内にあれば、核スピンと電子スピンとの超微細相互作用が働く。また、電子を量子ドットに移動させれば、超微細相互作用を働かなくすることができる。そして、核スピンの回転の制御は、例えばNMR周波数に基づいて行うことができるため、制御が容易である。更に、光学パルスによって電子の移動を制御できるため、デコヒーレンスを生じにくくすることもできる。更にまた、このような構造は、AFM探針等を用いて用意に形成することもできる。 According to the present invention, even in a solid state quantum device, the quantum ring and the quantum dot are adjacent to each other, so that the nuclear spin can be easily controlled. For example, if an electron is in a quantum ring, a hyperfine interaction between a nuclear spin and an electron spin works. In addition, if the electrons are moved to the quantum dots, the hyperfine interaction can be disabled. And since the rotation of the nuclear spin can be controlled based on, for example, the NMR frequency, the control is easy. Furthermore, since movement of electrons can be controlled by optical pulses, decoherence can be made difficult to occur. Furthermore, such a structure can be easily formed using an AFM probe or the like.
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係る量子デバイスを示す模式図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a quantum device according to an embodiment of the present invention.
本実施形態に係る量子デバイスでは、半導体基板に、複数個の量子リング1が一方向に並んで配列されている。また、各量子リング1の中心部に、1個ずつの31P原子2が存在している。更に、各量子リング1に隣接して1個ずつの量子ドット3が形成されている。半導体基板は、例えばSi基板上に、厚さが100nm程度のSi1-xGexエピタキシャル層を成長させたものである。量子リング1は、例えばリング状のSi又はSi1-xGex(但し、xはエピタキシャル層のそれよりも小さい)膜から構成される。また、量子ドット3は、例えば点状のSi又はSi1-xGex(但し、xはエピタキシャル層のそれよりも小さい)膜から構成される。31P原子2は、例えば量子リング1の形成過程で導入されたものである。また、量子リング1の大きさは、直径が50nm程度以下、好ましくは10nm程度である。量子ドット3の大きさは、直径が40nm程度以下、好ましくは10nm程度である。なお、これらを構成するSi及びGeとして、核スピンのないものを用いることが好ましい。
In the quantum device according to the present embodiment, a plurality of quantum rings 1 are arranged in one direction on a semiconductor substrate. In addition, one 31
そして、本実施形態では、量子リング1、31P原子2及び量子ドット3から量子キュービット5が構成され、この量子キュービット5には、31P原子2の存在に伴って必然的に電子4が含まれている。なお、電子4は量子リング1又は量子ドット3内に閉じ込められる。
In this embodiment, a
このように構成された量子デバイスでは、電子スピンと核スピンとの間で効果的な超微細相互作用が働く。このため、従来のように外部の静電ゲート等から電場を印加して電子の操作を行うのではなく、光学パルスを印加することにより、スピンの状態を制御することができる。また、電子4は外部から印加される電圧の影響を受けない。このため、動作の安定性が向上する。 In the quantum device configured as described above, an effective hyperfine interaction works between the electron spin and the nuclear spin. For this reason, the spin state can be controlled by applying an optical pulse, rather than applying an electric field from an external electrostatic gate or the like as in the prior art to manipulate electrons. Further, the electrons 4 are not affected by the voltage applied from the outside. For this reason, operational stability is improved.
ここで、量子デバイスの動作の一例について説明する。製造後の状態では、電子4は量子リング1内に存在する。この状態で各量子キュービット5に所定の光学パルスを印加すると、図2に示すように、電子4が励起されて量子リング1から量子ドット3に移動する。この結果、31P原子2の核スピンが電子4のスピンとの相互作用から解放される。この状態はコヒーレント状態が維持される時間だけ維持される。
Here, an example of the operation of the quantum device will be described. In the state after manufacture, the electrons 4 exist in the quantum ring 1. When a predetermined optical pulse is applied to each
そして、図1に示すように、例えばNMR装置内で、全ての量子キュービット5に、周波数νのrfパルスを与えて磁場を印加することにより、核スピンを揃えることができる。これは、全ての量子キュービット5の共鳴無線周波数が互いに等しいからである。ここで、周波数νは、「ν=2gnμnB/h」で表わされる。但し、Bは印加された磁場の強さであり、μnは核磁子であり、gnは核g因子であり、hはプランク定数である。この状態を、本実施形態では待機状態とする。
Then, as shown in FIG. 1, for example, in an NMR apparatus, nuclear spins can be aligned by applying an rf pulse of frequency ν to all
また、例えば1個の量子キュービット5に対して光学パルスを印加することにより、この量子キュービット5において量子ドット3内に存在する電子4を量子リング1内に戻すことができる。このとき、光学パルスが操作対象とする量子キュービット5に隣接する他の量子キュービット5にもかかることもあるが、その波長を適切に調節することにより、当該他の量子キュービット5での誤操作を回避することができる。そして、図3に示すように、量子リング1内に電子4が戻ると、超微細相互作用が電子4のスピンと31P原子2の核スピンとの間に働くようになる。この結果、当該量子キュービット5におけるNMR周波数が変化する。変化後の共鳴周波数νAは、「hνA=2gnμnB+2A+2A2/μBB」から求められる。但し、Aは超微細相互作用エネルギであり、μBはボーア磁子である。なお、超微細相互作用エネルギAは核と重なり合う電子の波動関数に依存する。
For example, by applying an optical pulse to one
このような単一の量子キュービット5の操作は、図3に示すように、選択的に1個の核スピンを回転させることを可能とする。即ち、共鳴周波数νAのNMRパルスを印加することにより、残りの量子キュービット5内の核スピンを回転させることなく、単一の核スピンを回転させることができるようになる。このような核スピンの回転は、電子4の移動及びNMRパルスの終了により完了する。
Such operation of a
また、例えば隣り合う2個の量子キュービット5に対して光学パルスを印加することにより、これらの2個の量子キュービット5において量子ドット3内に存在する電子4を量子リング1内に戻すことができる。このような操作を行うと、2個の量子キュービット5間での交換結合を用いることができる。上述のように、これらの量子キュービット5内では、電子4のスピンと核スピンとの間に超微細相互作用が働く。また、これらの2個の量子キュービット5間において、量子リング1同士が互いに近接しているため、図4に示すように、2個の電子4のスピンが交換相互作用により互いに結合する。このため、適当な磁場が印加されると、電子スピンの交換相互作用及び電子スピンと核スピンとの間の超微細相互作用により、隣り合う2個の量子キュービット5内の核スピンも互いに結合させることができる。即ち、2個の31P原子の核スピンを回転させることができる。なお、適当な磁場は、例えば電子の交換エネルギに基づいて求めることができる。
Further, for example, by applying an optical pulse to two
そして、上述のような操作を行った後に、再度光学パルスを印加して電子4を量子ドット3内に戻すことにより、結合を切って待機状態に戻すことができる。
Then, after performing the operation as described above, by applying the optical pulse again and returning the electrons 4 into the
このような本実施形態によれば、固体状態の量子デバイスにおいて、適切な核スピンの操作を容易に行うことができる。 According to the present embodiment, an appropriate nuclear spin operation can be easily performed in a solid state quantum device.
次に、上述のような量子デバイスを製造する方法について説明する。図5は、AFMを用いて酸化膜を形成する方法を工程順に示す模式図である。また、図6は、同じく酸化膜を形成する方法を工程順に示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the quantum device as described above will be described. FIG. 5 is a schematic view showing a method of forming an oxide film using AFM in the order of steps. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the method of forming an oxide film in the order of steps.
図5に示すように、大気中で、原子間力顕微鏡(AFM)の探針22に負のバイアスを印加し、SiGe基板等の半導体基板10に正のバイアスを印加して、半導体基板10との間隔が5nm程度になるまで探針22を半導体基板10に近付けると、半導体基板10の表面が部分的に酸化されて、球状又は楕円体状の酸化膜11が形成される。これは、探針22の近傍で大気中の水(H2O)が分解され、OH-が酸化剤として作用するからである。即ち、図6(a)に示すように、微小な楕円体状の酸化膜11が生成された後、図6(b)に示すように、酸化膜11が成長する。
As shown in FIG. 5, in the atmosphere, a negative bias is applied to the
また、探針22をより半導体基板10に近付けた場合、例えば間隔を2nm程度とした場合には、先ず、図7(a)に示すように、酸化膜12が探針22に接触するまで成長する。その後、酸化膜12は上下方向にそのまま成長することができず、外側に広がるように成長し始め、図7(b)に示すように、酸化膜12は探針22を取り囲むようにしてドーナツ状に成長する。
Further, when the
そして、探針22を半導体基板10に接触させた場合には、図8(a)に示すように、初めからドーナツ状の酸化膜13が生成し、これが、図8(b)に示すように、そのままドーナツ状に成長する。なお、酸化膜13は探針22が接触している部分に成長することはない。
When the
従って、図8(a)及び(b)に示すように、探針22を半導体基板10に接触させつつ半導体基板10を酸化すれば、図6(b)に示す酸化膜11と同程度の大きさのリング状の酸化膜13を得ることができる。
Therefore, as shown in FIGS. 8A and 8B, if the
なお、半導体基板10の表面の酸化反応は、酸化膜が楕円体状に成長している間は、H2Oの量ではなく、外部電界の強さが律速の要因となるが、酸化膜がドーナツ状に成長し始めると、H2Oの量が律速の要因となる。
Note that the oxidation reaction of the surface of the
量子ドット及び量子リングの形成は、上述のような酸化膜の形成を踏まえて行うことができる。図9(a)乃至(d)は、本発明の実施形態に係る量子デバイスの製造方法を工程順に示す断面図である。但し、図9(a)乃至(d)には、量子リングの部分のみを表わす。また、図11は、図9(c)に相当する平面図であり、図11中のI−I線に沿った断面が図9(c)に示されている。 The formation of quantum dots and quantum rings can be performed based on the formation of the oxide film as described above. 9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a quantum device according to an embodiment of the present invention in the order of steps. However, FIGS. 9A to 9D show only the quantum ring portion. FIG. 11 is a plan view corresponding to FIG. 9C, and FIG. 9C shows a cross section taken along the line II in FIG.
この方法では、先ず、図9(a)に示すように、AFMの探針22を半導体基板10aの表面に接触させ、探針22に負のバイアスを印加し、半導体基板10aに正のバイアスを印加することにより、ドーナツ状の酸化膜13を、量子リング1の形成予定領域に形成する。但し、本実施形態では、酸化膜13を形成する前に、探針22の先端にドーパントとして用いる金属原子を付着させておく。このような金属原子としては、例えば31P原子が挙げられる。このような金属原子は、探針22に正のバイアスを印加されると放出されるが、酸化膜13の形成時に探針22に印加されるバイアスは負であるため、金属原子が脱落することはない。また、探針22自身をドーパントとして用いられる金属原子を含有するものとしてもよい。
In this method, first, as shown in FIG. 9A, the
また、酸化膜13の形成前又は形成後に、量子ドット3の形成予定領域にドット状の酸化膜(図示せず)を形成する。
Further, before or after the
次に、同じく図9(a)に示すように、探針22を半導体基板10aの表面から離した後、探針22に正のバイアスを印加することにより、正のドーパント55をリング状の酸化膜13の中央、即ち酸化膜13が形成されていない部分に付着させる。このとき、印加電圧及び印加時間を調節することにより、付着するドーパント55を1原子のみとすることが可能である。
Next, as shown in FIG. 9A, after the
なお、ドーパント55の付着を行った後に、酸化膜13を形成してもよい。ドーパント55の付着安定性を考慮すると、酸化膜13の形成前に、ドーパント55を付着させ、更にアニールを行っておくことが好ましい。
Note that the
なお、半導体基板10aとしては、Si基板上に、厚さが100nm程度のSi1-xGexエピタキシャル層を成長させたものを用いることが好ましい。これは、Si基板に歪が存在していたとしても、Si1-xGexエピタキシャル層を成長させることにより、基板表面における歪を緩和することができるからである。
As the
次いで、図9(b)に示すように、酸化膜13を除去する。この結果、リング状の溝27が形成されると共に、ドット状の窪み(図示せず)が形成される。但し、酸化膜13の除去はドーパント55が脱落しない条件で行う必要がある。また、ドーパント55の脱落を防止するために、酸化膜13を除去する前に熱処理を行うことにより、ドーパント55をSi1-xGex層を備えた半導体基板10a中に拡散させておいてもよい。酸化膜13の除去は、例えば、化学エッチング、水を用いた超音波洗浄、又は真空中での原子状水素を用いた処理等により行うことができる。
Next, as shown in FIG. 9B, the
その後、図9(c)及び図11に示すように、半導体膜36(例えば、Si膜)を溝27内及びドット状の窪み内にエピタキシャル成長させる。 Thereafter, as shown in FIGS. 9C and 11, the semiconductor film 36 (for example, Si film) is epitaxially grown in the groove 27 and in the dot-like depression.
そして、図10(d)に示すように、半導体膜36及び半導体基板10aを覆うキャップ膜50を形成することにより、量子デバイスを完成させる。キャップ膜50としては、例えばSi1-xGex膜を形成する。キャップ膜50は、例えば分子線結晶成長法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)又は有機金属気相成長法(MOCVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)により形成することができる。
Then, as shown in FIG. 10D, a quantum film is completed by forming a cap film 50 covering the
このような製造方法によれば、常磁性又は強磁性の量子リング1を得ることができる。そして、このような量子リング1を用いれば、アハラノフ・ボーム(Aharanov-Bohm)効果を奏するナノレベルのデバイスが得られる。 According to such a manufacturing method, a paramagnetic or ferromagnetic quantum ring 1 can be obtained. If such a quantum ring 1 is used, a nano-level device exhibiting the Aharanov-Bohm effect can be obtained.
また、直径が50nm程度以下で、量子ドット3と同程度の大きさの量子リング1を高い精度で得ることができる。例えば、一般的に用いられているAFMの探針を用いても、直径を20nm程度とすることができる。更に、カーボンナノチューブ等からなる特に微細な探針を用いれば、直径を10nm程度とすることも可能である。また、サイズのばらつきを5%未満程度とすることも可能である。
In addition, the quantum ring 1 having a diameter of about 50 nm or less and the same size as the
そして、この製造方法では、探針22の位置を制御することにより、量子リング1及び量子ドット3を半導体基板10aの所望の位置に形成することができる。また、酸化膜13の大きさ及び形状は、雰囲気中の湿度、探針22と半導体基板10aとの間の電位差及び成長時間に応じて変化する。これらの3つの要素は容易に制御することができる。また、半導体膜36の膜厚の制御も容易である。従って、量子ドット3だけでなく量子リング1の大きさも容易に制御することができる。
And in this manufacturing method, the quantum ring 1 and the
量子デバイスは、下記のような方法によっても製造することができる。図10(a)乃至(d)は、量子デバイスの他の製造方法を工程順に示す断面図である。 The quantum device can also be manufactured by the following method. FIGS. 10A to 10D are cross-sectional views illustrating another method for manufacturing a quantum device in the order of steps.
この方法では、先ず、図10(a)に示すように、半導体基板10aの表面に微量のドーパント56、例えば31P原子を注入する。このとき、量子リング1を形成しようとする位置に、1原子のドーパント56のみが存在するようにドーピングの条件を調整する。次に、SiGe層等のエピタキシャル層57を1〜2nm程度の厚さで形成する。その後、同じく図10(a)に示すように、上述の方法と同様にして酸化膜13を形成する。
In this method, first, as shown in FIG. 10A, a small amount of
また、酸化膜13の形成前又は形成後に、量子ドット3の形成予定領域にドット状の酸化膜(図示せず)を形成する。
Further, before or after the
次いで、探針22を半導体基板10aから離し、探針22の走査を行いながら、図10(b)に示すように、酸化膜13の周囲に酸化膜19を形成する。即ち、酸化膜13の中心を除く全面に酸化膜19を形成する。この酸化膜19の形成は、酸化膜13と同様に、大気中のH2Oの分解に付随する酸化反応により行われる。酸化膜19の厚さは、エピタキシャル層57より厚くする。但し、酸化膜13の底部から酸化膜19の下面までの間隔も十分に確保する。なお、図10(b)では、図の簡略化のため、残存しているエピタキシャル層57も半導体基板10aと一体化したものとして表わしている。
Next, the
その後、図10(c)に示すように、上述の方法と同様にして酸化膜13及び19を除去することにより、溝27及びドット状の窪み(図示せず)を形成する。この結果、ドーパント56は、溝27の中心部に存在するものを除き、除去される。
Thereafter, as shown in FIG. 10C, the
続いて、図10(d)に示すように、半導体膜36a(例えば、Si膜)を溝27内及びドット状の窪み内にエピタキシャル成長させる。 Subsequently, as shown in FIG. 10D, a semiconductor film 36a (for example, a Si film) is epitaxially grown in the groove 27 and the dot-like depression.
そして、上述の方法と同様にしてキャップ膜(図10に図示せず)を形成することにより、量子デバイスを完成させる。 Then, a quantum film is completed by forming a cap film (not shown in FIG. 10) in the same manner as described above.
このような方法によっても、上記の方法と同様の効果を得ることができる。 Also by such a method, the same effect as the above method can be obtained.
なお、隣り合う2個の量子キュービット5の量子ドット3間で、電子4の弱い相互作用が生ずることもあり得る。このような場合、操作性が低下する。このため、このような懸念がある場合には、図12(a)乃至(c)に示すように、隣り合う量子キュービット5の間で、量子ドット3を配置する場所を、量子リング1が並ぶ線を基準として反対側にすることが好ましい。なお、図12(a)は待機状態を示し、図12(b)は単一の量子キュービット5に対する操作が行われている状態を示し、図12(c)は隣り合う2個の量子キュービット5に対する操作が行われている状態を示している。
Note that a weak interaction of the electrons 4 may occur between the
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present invention will be collectively described as supplementary notes.
(付記1)
量子リングと、
前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、
前記量子リングに隣接する量子ドットと、
含む量子キュービットを有することを特徴とする量子デバイス。
(Appendix 1)
With quantum rings,
A single nuclear spin surrounded by the quantum ring;
Quantum dots adjacent to the quantum ring;
A quantum device comprising a quantum qubit including the quantum device.
(付記2)
前記量子キュービットは、SiGeを含有することを特徴とする付記1に記載の量子デバイス。
(Appendix 2)
The quantum device according to appendix 1, wherein the quantum qubit contains SiGe.
(付記3)
前記核スピンは、31P原子のものであることを特徴とする付記1又は2に記載の量子デバイス。
(Appendix 3)
The quantum device according to
(付記4)
前記量子キュービットに対する操作は、前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間の超微細相互作用に基づいて行われることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の量子デバイス。
(Appendix 4)
The operation on the quantum qubit is performed based on a hyperfine interaction between an electron spin in the quantum ring and the nuclear spin. Quantum device.
(付記5)
前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、1本の線上に並んで配置されていることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の量子デバイス。
(Appendix 5)
A plurality of the quantum qubits;
The quantum device according to any one of appendices 1 to 4, wherein the quantum rings of the plurality of quantum qubits are arranged side by side on one line.
(付記6)
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、1本の直線上に並んで配置されていることを特徴とする付記5に記載の量子デバイス。
(Appendix 6)
The quantum device according to
(付記7)
前記複数の量子キュービットの各量子ドットは、前記1本の線を基準として、いずれも同じ側に配置されていることを特徴とする付記5又は6に記載の量子デバイス。
(Appendix 7)
The quantum device according to
(付記8)
前記複数の量子キュービットの各量子ドットは、前記1本の線を基準として、隣り合う量子キュービット間で反対側に配置されていることを特徴とする付記5又は6に記載の量子デバイス。
(Appendix 8)
The quantum device according to
(付記9)
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う2個に対する操作は、前記量子リング内の2個の電子のスピン間の交換相互作用に基づいて行われることを特徴とする付記5乃至8のいずれか1項に記載の量子デバイス。
(Appendix 9)
Any one of
(付記10)
量子リングと、前記量子リングに囲まれた単一の核スピンと、前記量子リングに隣接する量子ドットと、含む量子キュービットを有する量子デバイスを制御する方法であって、
光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの制御方法。
(Appendix 10)
A method for controlling a quantum device comprising a quantum ring, a single nuclear spin surrounded by the quantum ring, a quantum dot adjacent to the quantum ring, and a quantum qubit comprising:
A method for controlling a quantum device, comprising: a step of moving electrons existing in the quantum ring into the quantum dot by optical excitation.
(付記11)
前記量子キュービットは、SiGeを含有することを特徴とする付記10に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 11)
The quantum device control method according to
(付記12)
前記核スピンは、31P原子のものであることを特徴とする付記10又は11に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 12)
12. The quantum device control method according to
(付記13)
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間に超微細相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする付記10乃至12のいずれか1項に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 13)
Returning the electrons in the quantum dots back into the quantum ring;
Rotating the nuclear spin by exerting a hyperfine interaction between the spin of electrons in the quantum ring and the nuclear spin;
The method for controlling a quantum device according to any one of
(付記14)
前記核スピンを回転させる工程は、前記量子キュービットに共鳴周波数のパルスを印加する工程を有することを特徴とする付記13に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 14)
14. The quantum device control method according to
(付記15)
前記量子デバイスは、前記量子キュービットを複数有しており、
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、1本の線上に並んで配置されており、
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う2個に対して、
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の2個の電子のスピン間に交換相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする付記10乃至14のいずれか1項に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 15)
The quantum device has a plurality of the quantum qubits,
Each quantum ring of the plurality of quantum qubits is arranged side by side on one line,
For two adjacent quantum qubits,
Returning the electrons in the quantum dots back into the quantum ring;
Rotating the nuclear spin by exerting an exchange interaction between spins of two electrons in the quantum ring;
15. The quantum device control method according to any one of
(付記16)
前記核スピンを回転させる工程は、前記2個の量子キュービットに磁場を印加する工程を有することを特徴とする付記15に記載の量子デバイスの制御方法。
(Appendix 16)
16. The quantum device control method according to appendix 15, wherein the step of rotating the nuclear spin includes a step of applying a magnetic field to the two quantum qubits.
(付記17)
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有し、
更に、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
(Appendix 17)
In an atmosphere containing water, an atomic force microscope probe to which a negative bias is applied is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, and an annular oxide film and a dotted oxide film are adjacent to each other on the surface of the semiconductor substrate. And forming the process,
Removing the annular oxide film and the dotted oxide film to form an annular groove and a dotted recess on the surface of the semiconductor substrate;
Forming quantum rings and quantum dots by growing a semiconductor film in the grooves and depressions;
Have
The method for manufacturing a quantum device further includes a step of attaching a single impurity atom to the center of the annular oxide film before the step of forming the groove and the depression.
(付記18)
半導体基板の表面に不純物原子を導入する工程と、
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
(Appendix 18)
Introducing impurity atoms into the surface of the semiconductor substrate;
In an atmosphere containing water, an atomic force microscope probe to which a negative bias is applied is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, and an annular oxide film and a dotted oxide film are formed on the surface of the semiconductor substrate. Forming adjacent to each other;
Oxidizing the periphery of the annular oxide film and the dotted oxide film;
Removing the annular oxide film and the dotted oxide film, and removing the oxidized portion around the annular oxide film, thereby forming an annular groove and a dotted recess on the surface of the semiconductor substrate;
Forming quantum rings and quantum dots by growing a semiconductor film in the grooves and depressions;
The manufacturing method of the quantum device characterized by having.
(付記19)
前記量子リング及び量子ドットを含む量子キュービットを、前記量子リング同士が隣り合うようにして同時に複数形成することを特徴とする付記17に記載の量子デバイスの製造方法。
(Appendix 19)
18. The method of manufacturing a quantum device according to appendix 17, wherein a plurality of quantum qubits including the quantum rings and quantum dots are simultaneously formed so that the quantum rings are adjacent to each other.
(付記20)
前記量子リング及び量子ドットを含む量子キュービットを、前記量子リング同士が隣り合うようにして同時に複数形成することを特徴とする付記18に記載の量子デバイスの製造方法。
(Appendix 20)
The quantum device manufacturing method according to appendix 18, wherein a plurality of quantum qubits including the quantum rings and quantum dots are simultaneously formed so that the quantum rings are adjacent to each other.
1:量子リング
2:P原子
3:量子ドット
4:電子
5:量子キュービット
10、10a:半導体基板
11、12、13、19:酸化膜
22:探針
27:溝
36:半導体膜
50:キャップ膜
55、56:ドーパント
57:エピタキシャル層
1: quantum ring 2: P atom 3: quantum dot 4: electron 5:
Claims (10)
前記量子リングに囲まれた単一の不純物原子からなる核スピンと、
前記量子リングに隣接する量子ドットと、
を含む量子キュービットを有することを特徴とする量子デバイス。 With quantum rings,
A nuclear spin consisting of a single impurity atom surrounded by the quantum ring;
Quantum dots adjacent to the quantum ring;
Quantum devices, characterized in that it comprises a quantum qubit including.
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、1本の線上に並んで配置されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の量子デバイス。 A plurality of the quantum qubits;
5. The quantum device according to claim 1, wherein the quantum rings of the plurality of quantum qubits are arranged side by side on one line.
光学励起により前記量子リング内に存在する電子を前記量子ドット内に移動させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの制御方法。 A method of controlling a quantum device having a quantum qubit including a quantum ring, a nuclear spin composed of a single impurity atom surrounded by the quantum ring, a quantum dot adjacent to the quantum ring, and
A method for controlling a quantum device, comprising: a step of moving electrons existing in the quantum ring into the quantum dot by optical excitation.
前記量子リング内の電子のスピンと前記核スピンとの間に超微細相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする請求項6に記載の量子デバイスの制御方法。 Returning the electrons in the quantum dots back into the quantum ring;
Rotating the nuclear spin by exerting a hyperfine interaction between the spin of electrons in the quantum ring and the nuclear spin;
The method of controlling a quantum device according to claim 6, comprising:
前記複数の量子キュービットの各量子リングは、1本の線上に並んで配置されており、
前記複数の量子キュービットのうちの互いに隣り合う2個に対して、
前記量子ドット内の電子を前記量子リング内に戻す工程と、
前記量子リング内の2個の電子のスピン間に交換相互作用を働かせて前記核スピンを回転させる工程と、
を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の量子デバイスの制御方法。 The quantum device has a plurality of the quantum qubits,
Each quantum ring of the plurality of quantum qubits is arranged side by side on one line,
For two adjacent quantum qubits,
Returning the electrons in the quantum dots back into the quantum ring;
Rotating the nuclear spin by exerting an exchange interaction between spins of two electrons in the quantum ring;
The method of controlling a quantum device according to claim 6 or 7, wherein:
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有し、
更に、前記溝及び窪みを形成する工程の前に、前記環状の酸化膜の中心に単一の不純物原子を付着させる工程を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。 In an atmosphere containing water, an atomic force microscope probe to which a negative bias is applied is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, and an annular oxide film and a dotted oxide film are adjacent to each other on the surface of the semiconductor substrate. And forming the process,
Removing the annular oxide film and the dotted oxide film to form an annular groove and a dotted recess on the surface of the semiconductor substrate;
Forming quantum rings and quantum dots by growing a semiconductor film in the grooves and depressions;
Have
The method for manufacturing a quantum device further includes a step of attaching a single impurity atom to the center of the annular oxide film before the step of forming the groove and the depression.
水を含有する雰囲気中で、負のバイアスを印加した原子間力顕微鏡の探針を前記半導体基板の表面に接触させて、前記半導体基板の表面に環状の酸化膜及び点状の酸化膜を互いに隣接させて形成する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜の周囲を酸化する工程と、
前記環状の酸化膜及び点状の酸化膜を除去すると共に、その周囲の酸化された部分を除去することにより、前記半導体基板の表面に環状の溝及び点状の窪みを形成する工程と、
前記溝及び窪み内に半導体膜を成長させることにより、量子リング及び量子ドットを形成する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。 Introducing a single impurity atom at a position to form a quantum ring on the surface of the semiconductor substrate;
In an atmosphere containing water, an atomic force microscope probe to which a negative bias is applied is brought into contact with the surface of the semiconductor substrate, and an annular oxide film and a dotted oxide film are formed on the surface of the semiconductor substrate. Forming adjacent to each other;
Oxidizing the periphery of the annular oxide film and the dotted oxide film;
Removing the annular oxide film and the dotted oxide film, and removing the oxidized portion around the annular oxide film, thereby forming an annular groove and a dotted recess on the surface of the semiconductor substrate;
Forming quantum rings and quantum dots by growing a semiconductor film in the grooves and depressions;
The manufacturing method of the quantum device characterized by having.
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