JP7761807B2 - Quantum computer and single electron/single hole transport method - Google Patents
Quantum computer and single electron/single hole transport methodInfo
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Description
本発明は、量子コンピュータ、および、単一電子/単一正孔搬送方法に関する。 The present invention relates to a quantum computer and a single electron/single hole transport method.
量子コンピュータは、既存のコンピュータに比べ高速な情報処理が可能と考えられている。既存のコンピュータは0と1の2値を扱うのに対し、量子コンピュータはこれらの重ね合わせ状態を扱うことができることを特徴とする。 Quantum computers are thought to be capable of faster information processing than existing computers. While existing computers handle only the two values 0 and 1, quantum computers are characterized by their ability to handle superpositions of these two values.
重ね合わせ状態を扱うために量子コンピュータは量子ビットを実現する素子を必要とする。量子ビットは超電導素子や冷却原子、光子および半導体素子による量子ドット等を用いて実現できる。量子コンピュータの基本操作には、初期化、演算、読み出しがあり、さらに基本演算として、単一量子ビットゲート、と2量子ビットゲート等があり、これらの組み合わせによって万能(ユニバーサル)量子計算を実現可能であることが知られている。例えば、電子を量子ビットとする量子コンピュータの各操作では、電子を搬送する必要がある。特許文献1では、よく知られた電荷結合素子による電子の搬送方法が開示されている。また、特許文献2では、単一の電子を搬送する方法が開示されている。 To handle superposition states, quantum computers require elements that realize quantum bits. Quantum bits can be realized using superconducting elements, cooled atoms, photons, and quantum dots made from semiconductor elements. The basic operations of a quantum computer include initialization, calculation, and readout. Further basic operations include single-qubit gates and two-qubit gates, and it is known that universal quantum computing can be realized by combining these. For example, each operation of a quantum computer that uses electrons as quantum bits requires the transport of electrons. Patent Document 1 discloses a method of transporting electrons using well-known charge-coupled devices. Furthermore, Patent Document 2 discloses a method of transporting a single electron.
すなわち、電子一つずつを量子ドットに搬送する方法についてこれまで検討が行われている。詳細には、特許文献1には、よく知られた電荷結合素子(CCD: Charge Coupled Device)による電子搬送方法が開示されている。また、特許文献2には、クーロンブロッケード現象を用いた電子の搬送方法が開示されている。しかしながら、特許文献1には単一の電子を所望の位置へ移動する方法の開示はないと考えられ、特許文献2には拡張性の高い二次元アレイ構造を有する量子ドットアレイ(二次元量子ドットアレイ)上の電子搬送については開示されていないと考えられる。 That is, methods for transporting electrons one by one to quantum dots have been studied. In detail, Patent Document 1 discloses a method of transporting electrons using a well-known charge-coupled device (CCD). Furthermore, Patent Document 2 discloses a method of transporting electrons using the Coulomb blockade phenomenon. However, Patent Document 1 does not appear to disclose a method of moving a single electron to a desired position, and Patent Document 2 does not appear to disclose electron transport on a quantum dot array having a highly scalable two-dimensional array structure (two-dimensional quantum dot array).
量子ドットアレイ上での搬送について検討を行うと、二次元の量子ドットアレイ上で電子等を所望の量子ドットに搬送するためには、複数の分岐路を経た所望の経路を選択できなければならない。そこで、本願発明の課題は、搬送経路の分岐路における良好な経路選択(ルーティング)を行う技術の提供にある。When considering transport on a quantum dot array, in order to transport electrons, etc. to the desired quantum dot on a two-dimensional quantum dot array, it is necessary to be able to select the desired route via multiple branching paths. Therefore, the objective of the present invention is to provide technology that enables good route selection (routing) at branching paths in the transport path.
本発明の第1の態様によれば、下記の量子コンピュータが提供される。この量子コンピュータは、半導体結晶基部上に配置されたゲート電極アレイと、単一電子を抽出する単電子製造部と、分岐を含み、前記半導体結晶基部における前記単一電子の搬送路である電子搬送路と、を備える。また、量子コンピュータは、ゲート電極アレイを制御することで、単一電子の分岐先の経路を選択する。 According to a first aspect of the present invention, the following quantum computer is provided. This quantum computer comprises a gate electrode array arranged on a semiconductor crystal base, a single electron production unit that extracts a single electron, and an electron transport path that includes a branch and is a transport path for the single electron in the semiconductor crystal base. The quantum computer also controls the gate electrode array to select the path to which the single electron branches.
本発明の第2の態様によれば、下記の量子コンピュータが提供される。この量子コンピュータは、半導体結晶基部上に配置されたゲート電極アレイと、単一正孔を抽出する単正孔製造部と、分岐を含み、前記半導体結晶基部における前記単一正孔の搬送路である正孔搬送路と、を備える。また、量子コンピュータは、ゲート電極アレイを制御することで、単一正孔の分岐先の経路を選択する。 According to a second aspect of the present invention, the following quantum computer is provided. This quantum computer comprises a gate electrode array arranged on a semiconductor crystal base, a single-hole production unit that extracts a single hole, and a hole transport path that includes a branch and is a transport path for the single hole in the semiconductor crystal base. The quantum computer also controls the gate electrode array to select the branched path of the single hole.
本発明の第3の態様によれば、下記の単一電子/単一正孔搬送方法が提供される。この方法は、単一電子または単一正孔を搬送する単一電子/単一正孔搬送方法である。この方法は、ゲート電極アレイを用いて、半導体結晶基部の搬送路に沿って単一電子/単一正孔を搬送するステップと、前記搬送路における分岐の直後の位置に配置されたゲート電極の電圧を制御することで、単一電子/単一正孔の分岐先の経路を選択するステップと、を備える。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a single electron/single hole transport method as described below. This method is a single electron/single hole transport method for transporting a single electron or a single hole. This method comprises the steps of transporting a single electron/single hole along a transport path in a semiconductor crystal base using a gate electrode array, and selecting a path to which the single electron/single hole branches by controlling the voltage of a gate electrode arranged immediately after the branch in the transport path.
本発明によれば、電子等を搬送する際に搬送経路の分岐路における良好な経路選択を行うことができる量子コンピュータおよび単一電子/単正孔搬送方法が提供される。なお、上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。 The present invention provides a quantum computer and a single-electron/single-hole transport method that can select a good route at a branching point in the transport path when transporting electrons, etc. Note that other issues, configurations, and effects will become clear from the description of the following embodiments of the invention.
以下では実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当事者であれば容易に理解される。
以下に示す発明の構成において、同一部分または同様な機能をする部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。同一あるいは同様な機能を有する要素が複数ある場合には、異なる添え字を付して説明する場合がある。ただし、添え字を省略して説明する場合がある。
本明細書等における「第1」、「第2」、「第3」などの表記は、構成要素を識別するためにするものであり、必ずしも、数、順序、もしくはその内容を限定するものではない。また、構成要素の識別のための番号は文脈ごとに用いられ、一つの文脈で用いた番号が、他の文脈で必ずしも同一の構成を示すとは限らない。また、ある番号で識別された構成要素が、他の番号で識別された構成要素の機能を考えることを妨げるものではない。
図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを示していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面等に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
The following describes the embodiments in detail with reference to the drawings. However, the present invention should not be construed as being limited to the description of the embodiments shown below. Those skilled in the art will readily understand that the specific configurations of the present invention can be modified within the scope of the concept and purpose of the present invention.
In the configuration of the invention described below, the same parts or parts with similar functions are denoted by the same reference numerals in different drawings, and redundant explanations may be omitted. When there are multiple elements with the same or similar functions, they may be described with different subscripts. However, in some cases, the subscripts may be omitted.
The terms "first,""second,""third," and the like used in this specification are used to identify components and do not necessarily limit the number, order, or content thereof. Furthermore, numbers used to identify components are used in different contexts, and numbers used in one context do not necessarily indicate the same configuration in another context. Furthermore, a component identified by a certain number does not preclude consideration of the function of a component identified by another number.
In order to facilitate understanding of the invention, the position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings etc. may not represent the actual position, size, shape, range, etc. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, etc. disclosed in the drawings etc.
実施形態では、量子ビットを集積するデバイスおよびデバイスの制御方式の一例を説明する。実施形態では、例えば、量子ドットアレイ構造による量子コンピュータ実現のために、量子ドットアレイのそれぞれの量子ドット間で、単一の電子(または、単一の正孔)を搬送する技術について詳しく説明する。 In the embodiments, an example of a device for integrating quantum bits and a method for controlling the device is described. In the embodiments, for example, a technology for transporting a single electron (or a single hole) between each quantum dot in a quantum dot array is described in detail in order to realize a quantum computer using a quantum dot array structure.
半導体素子を用いた量子コンピュータにおける電子搬送の必要性について説明する。電子搬送とは、単一の電子をある位置から所望の量子ドットまで移動させる操作である。 This article explains the need for electron transport in quantum computers using semiconductor elements. Electron transport is the process of moving a single electron from one location to a desired quantum dot.
量子コンピュータの初期化では、一例として、まず半導体デバイス内に作り込まれたゲート電極に電圧を印加することで、電子一つずつを閉じ込めることができる微細なポテンシャル構造を半導体中に生成する。そして、自由電子が多数存在するリザバー等から、電子搬送によってこのポテンシャルに各電子を閉じ込める。さらに、各電子のスピン(量子ビットとして用いる自由度)を揃えることで量子ビットの初期化を行う。ここで、初期化のための電子搬送を「ロード」または「ローディング」と呼ぶ。 As an example of how a quantum computer can be initialized, a voltage is first applied to gate electrodes built into the semiconductor device, creating a microscopic potential structure within the semiconductor that can confine individual electrons. Electrons are then transported from a reservoir or other location containing a large number of free electrons to confine each electron in this potential. The quantum bits are then initialized by aligning the spins (degrees of freedom used as quantum bits) of each electron. Here, the electron transport for initialization is called "loading."
次に、演算では、量子ゲート操作を行うことができる量子ドット領域へ電子を搬送する場合がある。さらに、2量子ビットゲートでは、所望の2つの量子ビットを隣り合う量子ドットに搬送して、2量子ビット間の相互作用の効果を用いてゲート操作を実現する。このように演算時に電子を搬送する場合、電子スピンの位相情報を含めた量子状態を保持したまま電子を搬送する必要がある。このような演算のための電子搬送を「シャトル」または「シャトリング」と呼ぶ。 Next, in computation, electrons may be transported to a quantum dot region where quantum gate operations can be performed. Furthermore, in a two-qubit gate, the desired two quantum bits are transported to adjacent quantum dots, and gate operations are achieved using the effect of the interaction between the two quantum bits. When transporting electrons during computation in this way, it is necessary to transport the electrons while maintaining their quantum state, including the phase information of the electron spin. This type of electron transport for computation is called "shutting" or "shuttling."
最後に、読み出しでは、読み出しができる量子ドット領域へ電子を搬送する必要がある。量子ビットの状態を読み出す場合、スピン偏極(スピンのアップとダウン)または振幅と呼ばれる情報が保持されていればよく、位相情報まで保持される必要はない。このように読み出しのための電子搬送を「キャリーアウト」と呼ぶ。 Finally, readout requires transporting electrons to the quantum dot region where they can be read. When reading out the state of a quantum bit, it is sufficient to preserve information called spin polarization (spin up or down) or amplitude; phase information does not need to be preserved. This electron transport for readout is called "carry-out."
以上のように、量子コンピュータの実現には、「ローディング」「シャトリング」「キャリーアウト」といった搬送技術を確立することが重要である。 As mentioned above, in order to realize quantum computers, it is important to establish transportation technologies such as "loading," "shuttle," and "carry-out."
ここで、二次元量子ドットアレイ上の単一電子搬送について検討を行う。すると、以下のような課題を考慮する必要がある。 Here, we consider single-electron transport in a two-dimensional quantum dot array. The following issues must be taken into account:
二次元の量子ドットアレイ上で電子を所望の量子ドットに搬送するためには、現在電子が存在する位置から、複数の分岐路を経て電子を搬送する必要がある。各分岐路は、例えば2分岐路、または3分岐路となっており、所望の経路を選択できなければならない。 To transport an electron to a desired quantum dot in a two-dimensional quantum dot array, the electron must be transported from its current location through multiple branch paths. Each branch path can be, for example, a two- or three-branch path, and the desired path must be selectable.
通常電気回路では、電子を流したい方向にプラスのバイアス電圧を印加するが、大規模な量子ドットアレイではバイアス電圧を制御することは容易ではないと考えられる。これは、バイアス電圧を印加すると意図せぬ電子の流入や流出が発生するためである。そこで、バイアス電圧0Vの条件において、所望の経路選択(ルーティング)を行い、電子搬送経路を制御することが望まれる。 In typical electrical circuits, a positive bias voltage is applied in the direction in which electrons are desired to flow, but controlling the bias voltage is thought to be difficult in large-scale quantum dot arrays. This is because applying a bias voltage can cause unintended inflows and outflows of electrons. Therefore, it is desirable to select the desired path (routing) and control the electron transport path under conditions of a bias voltage of 0V.
なお、ここでは、電子搬送について詳しく説明されたが、二次元量子ドットアレイにおいて単一の正孔を搬送する正孔搬送を行う場合についても、同様に、所望の経路を選択できなければならないという課題が考えられる。そこで、本発明の課題は、電子搬送経路(または、正孔搬送経路)の分岐路における安定した経路選択(ルーティング)を行う技術を提供することにある。以下、課題を解決する実施形態を詳しく説明する。While electron transport has been described in detail here, the same issue of being able to select the desired path can be considered when transporting a single hole in a two-dimensional quantum dot array. Therefore, the object of the present invention is to provide a technology for stable path selection (routing) at branching paths of electron transport paths (or hole transport paths). Below, we will explain in detail an embodiment that solves this problem.
<実施形態>
[量子ビットアレイ]
半導体素子を用いた電子スピンを量子ビットとする方式の量子コンピュータについて詳しく説明する。この量子コンピュータは二次元量子ビットアレイを有する。量子ビットは半導体中のキャリヤ(電子または正孔であり、以下では電子を想定するが正孔でもよい。)のスピンを自由度とするスピン量子ビットである。なお、二次元量子ビットアレイを提案する特開2021-27142号公報がある。
<Embodiment>
[Quantum bit array]
This section describes in detail a quantum computer that uses semiconductor elements and electron spin as a quantum bit. This quantum computer has a two-dimensional quantum bit array. The quantum bit is a spin quantum bit in which the spin of a carrier (electron or hole; hereinafter, electrons are assumed, but holes are also acceptable) in a semiconductor is used as a degree of freedom. Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. 2021-27142 proposes a two-dimensional quantum bit array.
図1は、量子ビットアレイ101を形成するための量子ドット122の構造を示す。ここで、量子ビットアレイ101は、複数の電子124が複数の量子ドット122に保持されている状態を示す。また、量子ドット122とは、電磁場によるポテンシャル123を制御することによって電子1つかそれ以上を保持できる電磁場構造を示し、各量子ドット122はポテンシャル障壁121によって隔たれている。量子ビットアレイ101は数mK(ミリケルビン)から数K(ケルビン)といった極低温下に置かれたチップ内に実装され、熱的な揺らぎが無視できる領域で動作させる。以下では熱的な揺らぎや励起が無視できる状況を想定して説明する。 Figure 1 shows the structure of quantum dots 122 used to form a quantum bit array 101. Here, the quantum bit array 101 shows a state in which multiple electrons 124 are held in multiple quantum dots 122. Furthermore, quantum dots 122 refer to electromagnetic field structures that can hold one or more electrons by controlling the potential 123 generated by an electromagnetic field, and each quantum dot 122 is separated by a potential barrier 121. The quantum bit array 101 is implemented in a chip placed at extremely low temperatures, such as several mK (millikelvins) to several K (kelvins), and is operated in a region where thermal fluctuations are negligible. The following explanation assumes a situation in which thermal fluctuations and excitations are negligible.
図1では、半導体のMOS(Metal-oxide-semiconductor)構造に基づくゲート電極100が1次元的に並んでいる構造(ゲート電極アレイ)および、各ゲート電極から酸化膜110をはさんでシリコンチャネル120内部のポテンシャル123を模式的に示している。半導体基板の上部に配置されたゲート電極100は、左から順に1から9まで番号を振ると、奇数番目のゲート電極の直下を量子ドット122とし、偶数番号目のゲート電極の直下をポテンシャル障壁121としている。電子124は、本図では、1つずつ量子ドット122に保持されているが、場合によっては0個や2個以上であってもよい。量子ドット122は電子が1つ以上保持できるように形成されている。 Figure 1 shows a gate electrode array, a structure in which gate electrodes 100 based on a semiconductor MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) structure are arranged one-dimensionally, and a schematic diagram of the potential 123 inside the silicon channel 120, sandwiched between each gate electrode and an oxide film 110. The gate electrodes 100 arranged on top of a semiconductor substrate are numbered 1 to 9 from left to right, with quantum dots 122 located directly below odd-numbered gate electrodes and potential barriers 121 located directly below even-numbered gate electrodes. In this figure, one electron 124 is held in each quantum dot 122, but in some cases, zero or more electrons may be held. The quantum dots 122 are formed so that they can hold one or more electrons.
量子ビットアレイによる量子コンピュータは、各量子ドットに保持された電子のスピンを量子ビットとして、電子とマイクロ波、または電子どうしの相互作用によりスピン状態を制御することで量子計算を実現する。 Quantum computers using quantum bit arrays use the spin of electrons held in each quantum dot as a quantum bit, and achieve quantum computing by controlling the spin state through interactions between electrons and microwaves, or between electrons themselves.
[一次元電子搬送]
図2Aは図1に示した量子ビットアレイを単純化して模式的に示している。電子201が5番目のゲート電極直下の量子ドット203に保持されている。ここで、量子ドット203のポテンシャルがポテンシャル障壁202のポテンシャルよりも低くなるように、ゲート電極200の構造を制御しておく、あるいはゲート電極200への印加電圧を調整しておく。
[One-dimensional electron transport]
2A is a simplified schematic diagram of the quantum bit array shown in FIG. 1. An electron 201 is held in a quantum dot 203 directly below the fifth gate electrode. The structure of the gate electrode 200 is controlled or the voltage applied to the gate electrode 200 is adjusted so that the potential of the quantum dot 203 is lower than the potential of the potential barrier 202.
上記の「ローディング」「シャトリング」「キャリーアウト」のために、電子201を別の量子ドットに搬送する方法を説明する。 For the above "loading," "shuttle," and "carry-out," we explain how to transport electron 201 to another quantum dot.
図2Bは、図2Aの場合において、電子201を左方向に搬送する例を示している。左方向に搬送するためには、5番目と6番目のゲート電極に現在よりも負方向に電圧を印加してポテンシャルを上昇させ、3番目と4番目のゲート電極に現在よりも正方向に電圧を印加してポテンシャルを下降させる。これにより、電子は左方向に移動し、電圧を戻すと3番目のゲート電極直下の量子ドットに電子を移動させることができる。 Figure 2B shows an example of transporting electron 201 to the left in the case of Figure 2A. To transport it to the left, a voltage is applied to the fifth and sixth gate electrodes in a more negative direction than the current direction to raise the potential, and a voltage is applied to the third and fourth gate electrodes in a more positive direction than the current direction to lower the potential. This causes the electron to move to the left, and when the voltage is returned, the electron can be moved to the quantum dot directly below the third gate electrode.
図2Cは反対に、電子201を右方向に搬送する例を示している。右方向に搬送するためには、4番目と5番目のゲート電極に現在よりも負方向に電圧を印加してポテンシャルを上昇させ、6番目と7番目のゲート電極に現在よりも正方向に電圧を印加してポテンシャルを下降させる。これにより、電子は右方向に移動し、電圧を戻すと7番目のゲート電極直下の量子ドットに電子を移動させることができる。 Figure 2C shows an example of transporting electron 201 to the right. To transport it to the right, a voltage is applied to the fourth and fifth gate electrodes in a more negative direction than the current direction, raising the potential, and a voltage is applied to the sixth and seventh gate electrodes in a more positive direction than the current direction, lowering the potential. This causes the electron to move to the right, and when the voltage is returned, the electron can be moved to the quantum dot directly below the seventh gate electrode.
このように、現在電子が存在する位置がN番目のゲート電極直下であった場合、N番目とN+1番目に負方向、N-1番目とN-2番目に正方向の電圧を印加することで、電子はN-2番目のゲート電極直下の量子ドットに移動させることができる。また、N番目とN-1番目に負方向、N+1番目とN+2番目に正方向の電圧を印加することで、電子はN+2番目のゲート電極直下の量子ドットに移動させることができる。 In this way, if the electron's current position is directly below the Nth gate electrode, applying a negative voltage to the Nth and N+1th gate electrodes and a positive voltage to the N-1th and N-2nd gate electrodes will move the electron to the quantum dot directly below the N-2th gate electrode. Also, applying a negative voltage to the Nth and N-1th gate electrodes and a positive voltage to the N+1st and N+2nd gate electrodes will move the electron to the quantum dot directly below the N+2th gate electrode.
[二次元電子搬送]
以上の操作を組み合わせることにより、単一電子を一次元アレイ上で所望の位置に搬送することが可能である。一方、これを二次元アレイに拡張することで、量子コンピュータの大規模化を実現する。
[Two-dimensional electron transport]
By combining these operations, it is possible to transport a single electron to a desired location in a one-dimensional array. Extending this to a two-dimensional array will enable the realization of a larger quantum computer.
図3Aは、二次元量子ドットアレイの上面図であり、電子の搬送を表す概略図である。二次元格子状に、電子の通り道であるチャネル303(電子搬送路)が配置され、チャネル上に量子ドットがある。ここで、ゲート電極等の構造は省略されているが、チャネルの断面構造は図1、図2と同様であり、二次元格子状のチャネル303の上部には、ゲート電極アレイが配置されている。量子ドット310に電子があり、これを量子ドット320に搬送する場合を考える。このとき、例えば電子経路300に沿って電子を搬送することで実現できるが、経路上の量子ドットでは、図内矢印で記載されているように複数の経路分岐路302を通る。この経路分岐路では、所望の経路へ電子を選択的に移動させる経路選択が必要である。例えば、図3Bで示すような分岐路では、Aから電子330が入射し、経路分岐路302において、BかCかDの3経路のうち一つを選択して搬送させる必要がある。このような分岐路における経路選択を単一電子の搬送においてどのように実現するか、以下で説明する。Figure 3A is a top view of a two-dimensional quantum dot array, illustrating electron transport. Channels 303 (electron transport paths) are arranged in a two-dimensional lattice pattern, and quantum dots are located on the channels. While gate electrodes and other structures are omitted here, the cross-sectional structure of the channel is similar to that shown in Figures 1 and 2, with a gate electrode array located above the two-dimensional lattice-like channel 303. Consider the case where an electron is located in quantum dot 310 and is transported to quantum dot 320. This can be achieved by transporting the electron along electron path 300, but the quantum dots on the path pass through multiple branching paths 302, as indicated by the arrows in the figure. At these branching paths, path selection is required to selectively move the electron to the desired path. For example, in the branching path shown in Figure 3B, electron 330 enters from A, and at branching path 302, one of three paths—B, C, or D—must be selected for transport. The following explains how path selection in such a branching path is achieved for the transport of a single electron.
[経路選択方法]
図4A、図4Bを用いて電子搬送における経路選択方法について説明する。図4Aに電子搬送における経路選択方法の一例を示す。電子450は、図4Aの例では量子ドット413に存在しており、図4Aは、量子ドット419に電子450を搬送する方法の一例を示す。まず、電圧制御部(401、402、403、404、405)がそれぞれ同期信号発生部400(タイミング制御部)に接続されており、同一のクロックによって同期されている。さらに、それぞれの電圧制御部(401、402、403、404、405)では、矢印でつながっている量子ドットおよびポテンシャル障壁直上のゲート電極に電圧を印加することができる。
[Route selection method]
A path selection method for electron transport will be described using Figures 4A and 4B. Figure 4A shows an example of a path selection method for electron transport. In the example of Figure 4A, electron 450 is present in quantum dot 413, and Figure 4B shows an example of a method for transporting electron 450 to quantum dot 419. First, voltage control units (401, 402, 403, 404, 405) are each connected to a synchronization signal generation unit 400 (timing control unit) and are synchronized by the same clock. Furthermore, each voltage control unit (401, 402, 403, 404, 405) can apply voltage to the quantum dots and gate electrodes directly above the potential barriers connected by arrows.
電子450が量子ドット413に存在しているので、量子ドット413とポテンシャル障壁412に負方向に電圧を電圧制御部403から印加し、これと同時に電圧制御部(401、402)によって、量子ドット(415、421)および、ポテンシャル障壁(416、420)にも負方向の電圧を印加する。さらにこれと同時に電圧制御部(404、405)によって、量子ドット(417、419)、および、ポテンシャル障壁(414、418)には正方向の電圧を印加する。なお、図において、黒(白)塗りつぶしは電圧を負(正)方向に印加することを示す。 Since electron 450 is present in quantum dot 413, a negative voltage is applied to quantum dot 413 and potential barrier 412 from voltage control unit 403. At the same time, a negative voltage is also applied to quantum dots (415, 421) and potential barriers (416, 420) by voltage control units (401, 402). At the same time, a positive voltage is applied to quantum dots (417, 419) and potential barriers (414, 418) by voltage control units (404, 405). Note that in the figure, black (white) fill indicates that voltage is being applied in the negative (positive) direction.
これによって、電子450は、量子ドット413から量子ドット417を経由して、量子ドット419へ搬送される。ここで、クロックによってすべての電圧変化が略同期していることが重要であり、このタイミングがずれると所望の量子ドットに電子を搬送することが容易ではなくなる。 This allows electron 450 to be transported from quantum dot 413 to quantum dot 419 via quantum dot 417. Here, it is important that all voltage changes are approximately synchronized by the clock; if this timing is off, it will not be easy to transport the electron to the desired quantum dot.
なお、電圧制御部から量子ドットとポテンシャル障壁それぞれに電圧を印加するが、印加電圧の値はそれぞれのゲート電極において事前に調整される。この方法では、搬送対象の電子が存在する量子ドットおよび搬送方向の逆側のポテンシャル障壁と、分岐路のうち電子を搬送しない方向の量子ドットおよびポテンシャル障壁に、負方向の電圧を印加し、搬送経路上の量子ドットおよびポテンシャル障壁に正方向の電圧を、同期して印加することで、分岐路における所望の量子ドットへの電子搬送が可能となる。 A voltage control unit applies voltages to both the quantum dots and the potential barriers, with the applied voltage values adjusted in advance at the respective gate electrodes. With this method, a negative voltage is applied to the quantum dot containing the electrons to be transported and the potential barrier opposite the transport direction, as well as to the quantum dots and potential barriers in the branch path that do not transport electrons. A positive voltage is applied synchronously to the quantum dots and potential barriers on the transport path, enabling electrons to be transported to the desired quantum dot in the branch path.
上記の方法では、電圧変化を略瞬時に(つまり矩形波的に)変化させる想定をしたが、これに限らず、例えばサイン波的な周期な電圧変化等でもよい。この場合、電圧制御部からゲート電極までの配線等による影響で信号がなまる影響が低減されるため、制御性が向上する可能性がある。矩形波的でもサイン波的でもその中間の電圧変化だったとしても、各電圧制御部の正または負方向の電圧変化のタイミングが略一致している必要がある。言い換えると、周期的な変化であれば、電圧変化の位相が正と負でおよそ180°ずれている必要がある。 In the above method, we assumed that the voltage changes almost instantaneously (i.e., in a square wave-like manner), but this is not limited to this; for example, periodic voltage changes like a sine wave are also acceptable. In this case, the influence of signal distortion due to wiring from the voltage control unit to the gate electrode is reduced, potentially improving controllability. Whether the voltage changes are square wave-like, sine wave-like, or somewhere in between, the timing of the positive or negative voltage changes of each voltage control unit must be approximately synchronized. In other words, if the changes are periodic, the phase of the positive and negative voltage changes must be approximately 180° apart.
各ゲート電極における電圧のタイミング、位相制御の一例を説明する。図4Cに各ゲート電極に印加する電圧の模式図を示す。実線は図4AとBにおける白電極(すなわち、白塗りつぶし箇所に関する電極)、点線は図4AとBにおける黒電極(すなわち、黒塗りつぶし箇所に関する電極)に印加する電圧を示す。ここで、電圧を上げると、電子に対するポテンシャルは下がる。図4Cのように、2種類のゲート電極印加電圧のタイミングを合わせて印加することにより、正しく経路選択することができる。 An example of the timing and phase control of the voltage at each gate electrode is explained below. Figure 4C shows a schematic diagram of the voltage applied to each gate electrode. The solid lines indicate the voltage applied to the white electrodes (i.e., the electrodes related to the white-filled areas) in Figures 4A and B, and the dotted lines indicate the voltage applied to the black electrodes (i.e., the electrodes related to the black-filled areas) in Figures 4A and B. Here, increasing the voltage decreases the potential for electrons. By applying two types of gate electrode voltages at the same time, as shown in Figure 4C, the correct path can be selected.
また、図4Dは、より複雑な経路選択を行う例を示し、周期的動作の例を示す。図4Aにおける分岐路の各経路を経路1(図中の分岐から上側の経路)、経路2(図中の分岐から右側の経路)、経路3(図中の分岐から下側の経路)として、各経路のゲート電極に印加する電圧シーケンスを示す。この例では、最初に経路1に、次に経路2に、最後に経路3に順に電子を搬送させることができる。このように、複雑な経路選択制御に対しても、タイミングを同期して、分岐前のゲート電極の電圧と搬送先経路以外の経路のゲート電極印加電圧を下げ、搬送先経路のゲート電極印加電圧を上げることで、所望の経路選択を行うことができる。 Figure 4D also shows an example of more complex path selection, illustrating periodic operation. The voltage sequence applied to the gate electrodes of each branch path in Figure 4A is shown, with each path designated as path 1 (the path above the branch in the figure), path 2 (the path to the right of the branch in the figure), and path 3 (the path below the branch in the figure). In this example, electrons can be transported first to path 1, then to path 2, and finally to path 3 in that order. In this way, even for complex path selection control, the desired path can be selected by synchronizing the timing, lowering the voltage of the gate electrode before the branch and the voltage applied to the gate electrodes of paths other than the destination path, and raising the voltage applied to the gate electrode of the destination path.
上記の方法では、量子ドット417に電子が停留する場合がある。そのため、例えば上記の手順のあとに、電圧制御部404により、ポテンシャル障壁414と量子ドット417に負方向の電圧を印加する2ステップによって、安定的に量子ドット(例えば、図4Aでは量子ドット419)に電子を搬送できる。 In the above method, electrons may become trapped at quantum dot 417. Therefore, for example, after the above procedure, the voltage control unit 404 can apply a negative voltage to the potential barrier 414 and quantum dot 417 in two steps to stably transport electrons to the quantum dot (e.g., quantum dot 419 in Figure 4A).
上記の方法では、1つの電圧制御部に対してポテンシャル障壁と量子ドットのゲート電極がそれぞれ1つずつ接続されているが、この接続の組み合わせは電子の搬送方向や搬送経路によって異なるため、変更可能とすることで、電子搬送方法の自由度が高くなる。 In the above method, one potential barrier and one quantum dot gate electrode are connected to one voltage control unit, but the combination of these connections varies depending on the direction and path of electron transport, so making it changeable increases the flexibility of the electron transport method.
上記の方法では、量子ドットとポテンシャル障壁両方のポテンシャルを制御したが、例えばポテンシャル障壁のみを制御することで制御回路をシンプルにし、容量結合による近傍量子ドットのポテンシャル変化を利用することもできる。 In the above method, the potential of both the quantum dot and the potential barrier was controlled, but it is also possible to simplify the control circuit by controlling only the potential barrier, for example, and utilize the change in the potential of nearby quantum dots due to capacitive coupling.
上記の方法では、複数の電圧制御部があるが、例えば電圧発生部と電圧変調部を分割するなどの方法で、電圧制御部の構成を効率化することができる。 In the above method, there are multiple voltage control units, but the configuration of the voltage control units can be made more efficient by, for example, dividing the voltage generation unit and voltage modulation unit.
なお、図4Bは、図4Aと類似の構造であるが、分岐路中央にポテンシャル障壁がある点が異なる。この場合にも同様の方法(すなわち、タイミングを同期して、搬送先経路以外の経路のゲート電極印加電圧を下げ、搬送先経路のゲート電極印加電圧を上げる方法)で電子450を所望の量子ドットに搬送することができるが、搬送前と後の量子ドットが分岐路中央のポテンシャル障壁1つのみによって隔てられた隣り合う量子ドットであるため、電子が停留することなく1ステップで経路選択を行うことができる。 Figure 4B has a similar structure to Figure 4A, except for the presence of a potential barrier in the center of the branch path. In this case, electrons 450 can be transported to the desired quantum dot using a similar method (i.e., by synchronizing the timing and lowering the voltage applied to the gate electrodes of paths other than the destination path and raising the voltage applied to the gate electrodes of the destination path). However, because the quantum dots before and after transport are adjacent quantum dots separated only by a single potential barrier in the center of the branch path, path selection can be performed in one step without the electrons becoming stuck.
[実証実験]
単一電子経路選択の実証実験について示す。図5Aは量子ドットアレイと2分岐路を有する実験用デバイス構造の概略図である。この例では、デバイスはソース501、右ドレイン502、左ドレイン503の3ポートがあり、ソース501にある多数の電子の中から、3つのゲート電極(SG1、FG1、SG2)によって形成された単電子ポンプ(単電子製造部)を用いて電子一つを抽出する。なお、図5Aにおいて、A-A´は、二次元格子状の電子搬送路の一方の方向を示し、B-B´は他方の方向を示している。
[Demonstration experiment]
This section describes a demonstration experiment of single-electron path selection. Figure 5A is a schematic diagram of an experimental device structure with a quantum dot array and two branch paths. In this example, the device has three ports: a source 501, a right drain 502, and a left drain 503. A single electron is extracted from a large number of electrons in the source 501 using a single-electron pump (single-electron production unit) formed by three gate electrodes (SG1, FG1, and SG2). In Figure 5A, A-A' indicates one direction of the two-dimensional lattice-shaped electron transport path, and B-B' indicates the other direction.
その後、単一電子を右ドレイン502か左ドレイン503に経路選択制御できることを実証する。図5Bは、ポテンシャルと入力電圧波形の概略図である。単電子ポンプ内のゲート電極FG1、分岐路手前のゲート電極FG3(アシストゲート)および経路選択用のゲート電極TG1とTG2にそれぞれ位相制御可能な同一周波数の交流(AC)電圧を印加し、これらの位相関係を制御することで経路選択を実現する。We then demonstrate that single electrons can be controlled to select either the right drain 502 or the left drain 503. Figure 5B is a schematic diagram of the potential and input voltage waveforms. Phase-controllable alternating current (AC) voltages of the same frequency are applied to the gate electrode FG1 in the single-electron pump, the gate electrode FG3 (assist gate) before the branch path, and the gate electrodes TG1 and TG2 used for path selection, and path selection is achieved by controlling the phase relationship between these voltages.
図5Cは、単一電子を準備するために用いた4K(ケルビン)環境で動作する単電子ポンプの実験結果である。横軸はFG2のDC電圧、縦軸はID/(ef)を表す。ここで、IDは単電子ポンプで搬送した電子によるドレイン電流、eは素電荷、fは単電子ポンプの駆動周波数でありf=100MHzとした(そのためID=16pAとなる)。本実験結果により、ID/(ef)=1においてプラトーが得られていることから、単電子ポンプが正常に動作していることを確認した。Fittingラインは、単電子ポンプ動作の理論曲線(Decay-Cascade model)によるフィッティング結果を示している。 Figure 5C shows the experimental results of the single-electron pump operating in a 4 Kelvin (Kelvin) environment used to prepare single electrons. The horizontal axis represents the DC voltage of FG2, and the vertical axis represents I D /(ef). Here, I D is the drain current due to electrons transported by the single-electron pump, e is the elementary charge, and f is the driving frequency of the single-electron pump, f = 100 MHz (hence, I D = 16 pA). This experimental result confirmed that the single-electron pump was operating normally, as a plateau was obtained at I D /(ef) = 1. The fitting line shows the fitting result using the theoretical curve (Decay-Cascade model) of single-electron pump operation.
図6は2分岐路における経路選択用ゲート電極(TG1、TG2)のDC特性の測定結果である。右ドレインと左ドレインそれぞれに流れる電流値(IDR、IDL)をTG1とTG2の印加電圧に変えてマップ化している。横軸はTG1のDC電圧、縦軸はTG2のDC電圧を示す。 Figure 6 shows the measurement results of the DC characteristics of the path selection gate electrodes (TG1, TG2) in the two branch paths. The current values (I DR , I DL ) flowing through the right drain and left drain, respectively, are converted into a map by the applied voltages of TG1 and TG2. The horizontal axis represents the DC voltage of TG1, and the vertical axis represents the DC voltage of TG2.
切り替えライン600は、IDR-IDL=0となる境界線である。すなわち、切り替えライン600は、電子が右ドレインに行くか、左ドレインに行くかの境界線のTG1とTG2の電圧条件を表しており、このラインを跨ぐ電圧条件とすることで電子の搬送経路を切り替えることができる。本実験では、動作電圧610上で動作するように、TG1とTG2に位相を180°反転した交流電圧信号を印加した。 The switching line 600 is the boundary line where I DR -I DL =0. That is, the switching line 600 represents the voltage conditions of TG1 and TG2 at the boundary line between whether electrons go to the right drain or the left drain, and the electron transport path can be switched by setting the voltage conditions across this line. In this experiment, AC voltage signals with phases reversed by 180° were applied to TG1 and TG2 so that they would operate on the operating voltage 610.
図7Aは、100MHz単電子ポンプによって単一電子を周期的に搬送し、経路選択用ゲート電極(TG1、TG2)を位相反転して動作させ、アシストゲート電極FG3に交流電圧を印加しない場合の、右ドレインと左ドレインの電流測定結果を示している。横軸はFG1とTG1に印加された交流電圧の位相差、縦軸は測定された電流値を表す。IS+IDR+IDL=0となっていることから、電子が逆流なく正しくポンプされていることが分かる。なお、ISは、分岐に入力される電流の電流値である。アシストゲート動作がない場合、電子が分岐路手前に次の電子がやってくるまで停留して(よどんで)しまい、正しい経路選択を行うことが容易ではないと考えられる。 7A shows the current measurement results of the right and left drains when single electrons are periodically transported by a 100 MHz single-electron pump, the path selection gate electrodes (TG1, TG2) are operated in phase inversion, and no AC voltage is applied to the assist gate electrode FG3. The horizontal axis represents the phase difference between the AC voltages applied to FG1 and TG1, and the vertical axis represents the measured current value. Since I S + I DR + I DL = 0, it can be seen that electrons are pumped correctly without backflow. Note that I S is the current value of the current input to the branch. Without the assist gate operation, electrons would stagnate (stagnate) in front of the branch path until the next electron arrives, making it difficult to select the correct path.
一方、図7Bに示すアシストゲート動作がある場合、分岐路手前で停留した電子が経路選択用ゲート電極(TG1、TG2)と同期して電子を押し出すため、正しい経路選択が容易に行えることがわかる。なお、アシストゲート電極FG3に印加する交流電圧の位相は単電子ポンプ(FG1)の位相と一致させた。そのため横軸は、アシストゲート電極FG3と経路選択用ゲート電極TG1に印加した交流電圧の位相を表しており、180°(πラジアン)の整数倍のとき(例えば、図における符号700)、正しく経路選択が行えていることがわかる。またこの位相条件を満たさないとき(例えば、図における符号701)、経路選択を正しく行うことができない。以上より、アシストゲート駆動ありかつ、アシストゲート電極FG3と経路選択用ゲート電極(TG1、TG2)の位相関係が180°(πラジアン)の整数倍のとき、正しく経路選択を容易に行うことができる。 On the other hand, when the assist gate operation shown in Figure 7B is present, electrons that have stopped just before the branch path push out electrons in synchronization with the path-selection gate electrodes (TG1 and TG2), making correct path selection easy. The phase of the AC voltage applied to the assist gate electrode FG3 is aligned with the phase of the single-electron pump (FG1). Therefore, the horizontal axis represents the phase of the AC voltage applied to the assist gate electrode FG3 and the path-selection gate electrode TG1. It can be seen that correct path selection is achieved when the phase is an integer multiple of 180° (π radians) (e.g., reference symbol 700 in the figure). Furthermore, when this phase condition is not met (e.g., reference symbol 701 in the figure), correct path selection cannot be achieved. From the above, correct path selection can be easily achieved when the assist gate is activated and the phase relationship between the assist gate electrode FG3 and the path-selection gate electrodes (TG1 and TG2) is an integer multiple of 180° (π radians).
図7Cは、プログラマブルなルーター動作(経路選択動作)をデモンストレーションした結果を示している。FG1、FG3、TG1、TG2にサイン波形状の電圧波形を印加した。また、図7DはFG3、TG1、TG2に矩形波形状の電圧波形を印加した結果を示している。横軸は時系列を表し、縦軸は左ドレイン電流IDL(上段)、右ドレイン電流IDR(下段)を表し、星マークは、疑似乱数を用いてプログラムした正解を表す。100シンボルすべてにおいて、正しい経路選択ができていることが分かる。また矩形波としても遜色ない結果得られていることから、アシストゲート電極と経路選択用ゲート電極は、デジタル信号によって制御することもできることが分かった。 Figure 7C shows the results of a demonstration of programmable router operation (path selection operation). Sine-wave voltage waveforms were applied to FG1, FG3, TG1, and TG2. Figure 7D shows the results of applying square-wave voltage waveforms to FG3, TG1, and TG2. The horizontal axis represents time series, and the vertical axis represents the left drain current I DL (top row) and the right drain current I DR (bottom row). Stars indicate the correct answers programmed using pseudorandom numbers. It can be seen that correct path selection was achieved for all 100 symbols. Furthermore, since results comparable to those obtained with square waves were obtained, it was found that the assist gate electrodes and path selection gate electrodes can also be controlled by digital signals.
[アプリケーション]
以上の単電子ルーターの量子コンピュータ以外のアプリケーション例を示す。第一のアプリケーションは、単電子ビームスプリッタである。単電子ルーターは、単一電子を所望の割合でスプリットさせることが可能なため、基本的な電荷制御素子として使える。例えば、単電子ポンプを用いた安定な定電流源を利用した回路システムにおける分岐比可変のディバイダーとして使うことができる。光のビームスプリッタが光子の重ね合わせ状態を作り出すのに対して、単電子ルーターは電子を粒子として分ける。
[application]
Here are some examples of applications of the single-electron router described above other than quantum computers. The first application is a single-electron beam splitter. A single-electron router can split single electrons at a desired ratio, making it usable as a basic charge control element. For example, it can be used as a variable-branching-ratio divider in a circuit system that uses a stable constant-current source with a single-electron pump. While an optical beam splitter creates a superposition state of photons, a single-electron router separates electrons as particles.
第二のアプリケーションは、単電子ポンプエラーモニタである。単電子ポンプを電流標準として使用する際、電流が所望の精度で生成されているかをモニタするために、制御可能な電子の分岐路が有用である。従って、単電子ルーターを用いて、ある割合で電流値の抜き取り検査を行い、電流値のモニタを行うことで、電流標準としての安定性を保つことができる。 The second application is single-electron pump error monitoring. When using a single-electron pump as a current standard, a controllable electron branching path is useful for monitoring whether the current is being generated with the desired accuracy. Therefore, by using a single-electron router to perform spot checks of the current value at a certain rate and monitoring the current value, the stability as a current standard can be maintained.
[二次元連続ゲート構造]
図8は、二次元量子ビットアレイにおいて、縦方向のゲート電極が連続している構造である場合の電子搬送および経路選択方法の一例を示している。チャネル810(電子搬送路)、ポテンシャル障壁820、量子ドット830の構造が図のように領域Aと領域Bで異なっており、領域Aと領域Bを基本ブロックとして繰り返し構造となっている。領域Aでは、ポテンシャル障壁820と量子ドット830直上のゲート電極は、縦方向に連続しており、電圧制御部840によってつながったゲート電極すべての略同一の電圧が印加される。一方、領域Bでは、縦方向にチャネル810がつながっており、ポテンシャル障壁820と量子ドット830直上のゲート電極は分離され、個別に電圧が印加できる構造となっている。
[Two-dimensional continuous gate structure]
8 shows an example of an electron transport and path selection method for a two-dimensional quantum bit array in which the gate electrodes are continuous in the vertical direction. The structures of the channel 810 (electron transport path), potential barrier 820, and quantum dot 830 are different in region A and region B as shown in the figure, and the structure is repeated with region A and region B as basic blocks. In region A, the gate electrodes directly above the potential barrier 820 and quantum dot 830 are continuous in the vertical direction, and approximately the same voltage is applied to all connected gate electrodes by voltage control unit 840. On the other hand, in region B, the channel 810 is connected in the vertical direction, and the gate electrodes directly above the potential barrier 820 and quantum dot 830 are separated, allowing voltages to be applied individually.
まず、電子(841、842,843)が図の位置に存在しているとする。このとき、各電圧制御部840において、ステップ1で示す印加電圧設定(-は負方向の電圧印加、+は正方向の電圧印加、0は現在の電圧を保持)を行う。これにより、3つの電子はすべて同時に一つ右隣の量子ドットに搬送される。このように、領域Aでは、縦方向につながったゲート電極によって並列的に電子を搬送することができ、電圧制御部の数を削減することができる。 First, let's assume that electrons (841, 842, 843) are located at the positions shown in the figure. At this time, each voltage control unit 840 sets the applied voltage as shown in step 1 (- applies a negative voltage, + applies a positive voltage, and 0 maintains the current voltage). This causes all three electrons to be simultaneously transported to the quantum dot immediately to the right. In this way, in region A, electrons can be transported in parallel using vertically connected gate electrodes, reducing the number of voltage control units.
続いて、ステップ2で示す印加電圧設定を行う。これにより、電子842だけをさらに右隣の量子ドットに移動させ、残る二つの電子841と843は現在いる量子ドットに保持することができる。このように、領域Bのように、ゲート電極を独立に制御できる領域を用いることにより、所望の電子のみを搬送することができる。 Next, the applied voltage is set as shown in step 2. This moves only electron 842 to the quantum dot next to it on the right, while the remaining two electrons 841 and 843 remain in the current quantum dot. In this way, by using a region such as region B where the gate electrodes can be independently controlled, it is possible to transport only the desired electrons.
その後、ステップ3で示す印加電圧設定を行う。これにより、電子842を上に搬送することができる。以上のように、構造に合わせた適切な電圧制御を行うことで、電子を所望の位置に搬送することができる。なお、もし電子841がなければ、ステップ2とステップ3を1つのステップにまとめることができる。 Then, the applied voltage is set as shown in step 3. This allows electrons 842 to be transported upward. As described above, by performing appropriate voltage control according to the structure, electrons can be transported to the desired location. Note that if electrons 841 do not exist, steps 2 and 3 can be combined into one step.
[システム]
次に、量子コンピュータの制御システムの一例について説明する。図9Aは、量子コンピュータのシステムブロック図を表す。また、図9Bは、主にホストPC900とコントローラ部910内において実行される、電圧制御部920における制御シーケンスの生成方法を表す。
[system]
Next, an example of a control system for a quantum computer will be described. Fig. 9A shows a system block diagram of the quantum computer. Fig. 9B shows a method for generating a control sequence in a voltage control unit 920, which is executed mainly in a host PC 900 and a controller unit 910.
ユーザーはまず所望の量子アルゴリズムS950を生成する。これは、抽象的な量子回路モデル等によって表される。次にトランスパイラ等のプログラムによって、量子アルゴリズムS950を量子コンピュータに実装可能な物理操作シーケンスS960に変換する。次に、この物理操作シーケンスを実行するための量子コンピュータの制御シーケンス群S970が生成される。この中には、電子搬送や電子経路選択(ルーティング)のシーケンスも含まれる。続いて、各電圧制御部の動作やマイクロ波発生動作のシーケンスS980が生成される。これらの情報は、ホストPC900またはコントローラ部910から電圧制御部920やクロック発生部930(タイミング制御部)、その他図9Aには示されていないマイクロ波発生部等の各制御モジュールに送られ、ゲート電極940等のデバイス動作が行われる。 The user first generates the desired quantum algorithm S950. This is represented by an abstract quantum circuit model, etc. Next, a program such as a transpiler converts the quantum algorithm S950 into a physical operation sequence S960 that can be implemented on a quantum computer. Next, a group of quantum computer control sequences S970 for executing this physical operation sequence is generated. These include sequences for electron transport and electron path selection (routing). Next, a sequence S980 for the operation of each voltage control unit and microwave generation operation is generated. This information is sent from the host PC 900 or controller unit 910 to each control module, such as the voltage control unit 920, clock generation unit 930 (timing control unit), and other units, such as the microwave generation unit not shown in Figure 9A, and device operation of the gate electrode 940, etc. is performed.
図10は、単電子経路選択(単電子ルーター)の校正方法を表す。なお、単電子ルーターの校正方法は、一例として、ユーザーが主体となって行うことができる。ここで、ユーザーは、ホストPC等の適宜の装置を用いて校正方法を行ってもよい。 Figure 10 shows a method for calibrating single-electron path selection (single-electron router). As an example, the calibration method for the single-electron router can be performed by the user. Here, the user may perform the calibration method using an appropriate device such as a host PC.
以下では、量子ドットアレイ上の経路の一部における校正方法を示す。校正方法を開始し(S1000)、まず、単一の電子を抽出する単電子ポンプの動作条件を設定し(S1010)、単電子ポンプが正確に1電子を抽出できているかを評価する(S1020)。事前に決められた正確度を上回っていることが確認できたら、単電子ポンプによって抽出された電子を搬送する単電子搬送の動作条件を設定し(S1030)、量子ドット間を正確に搬送できるかを評価する(S1040)。 The following describes a calibration method for a portion of a path on a quantum dot array. The calibration method is started (S1000). First, the operating conditions of the single-electron pump that extracts a single electron are set (S1010), and it is evaluated whether the single-electron pump can accurately extract one electron (S1020). Once it is confirmed that the accuracy exceeds a predetermined level, the operating conditions of the single-electron transporter that transports the electron extracted by the single-electron pump are set (S1030), and it is evaluated whether the electron can be transported accurately between quantum dots (S1040).
事前に決められた正確度を上回っていることが確認できたら、電子搬送によって搬送された電子を経路選択する単電子ルーターのために、図6で示したような経路分岐部直後のゲート電極のDC電圧条件を設定して切り替えライン条件を測定(S1050)し、評価する(S1060)。 Once it is confirmed that the accuracy exceeds the predetermined level, the DC voltage conditions of the gate electrode immediately after the path branch point as shown in Figure 6 are set for the single-electron router that selects the path of the electrons transported by electron transport, and the switching line conditions are measured (S1050) and evaluated (S1060).
事前に決められた条件の範囲内に収まっていることが確認できたら、単電子ルーターの動作条件を設定し経路分岐部において正確に経路選択ができるかを評価する(S1070)。事前に決められた正確度を上回っていることが確認できたら(S1080)、校正を終了する。なお、各評価において判定がNGの場合には電圧条件の再設定を行って再評価する。 Once it is confirmed that the results are within the range of the predetermined conditions, the operating conditions of the single-electron router are set and an evaluation is made to see whether accurate path selection is possible at the path branch point (S1070). If it is confirmed that the accuracy exceeds the predetermined level (S1080), the calibration is completed. If the result of each evaluation is NG, the voltage conditions are reset and the evaluation is repeated.
次に、量子コンピュータのシステム構成の一例について説明する。図11は、量子コンピュータシステムの全体構成図の概要を示す。計算タスクをホストコンピュータ1101から受け取ったコントローラ部1102は、極低温環境に置かれた、制御に用いるアナログ制御ユニット1103および量子ビットアレイユニット1104に、初期化シーケンス等の情報(図9BのS970参照)を送る。これにより、量子計算の一連の動作を実行したのち、量子ビット状態の読み出しが行われ、得られた読み出し信号(計算結果信号)が量子ビットアレイユニット1104からコントローラ部1102へと送信される。この読み出し信号は、コントローラ部1102により処理され、ホストコンピュータ1101に送られる。 Next, an example of a quantum computer system configuration will be described. Figure 11 shows an overview of the overall configuration of a quantum computer system. The controller unit 1102 receives a calculation task from the host computer 1101 and sends information such as an initialization sequence (see S970 in Figure 9B) to the analog control unit 1103 used for control and the quantum bit array unit 1104, which are placed in an extremely low temperature environment. As a result, after a series of quantum calculation operations are performed, the quantum bit state is read out and the resulting readout signal (calculation result signal) is sent from the quantum bit array unit 1104 to the controller unit 1102. This readout signal is processed by the controller unit 1102 and sent to the host computer 1101.
本実施形態の手法によれば、例えば、大規模量子ドットアレイによる量子コンピュータにおいて、量子ビットの初期化、演算、読出しに必要な単一電子の所望の位置への配置を行うことができる。 The method of this embodiment makes it possible to place single electrons required for initializing, calculating, and reading quantum bits at desired positions, for example, in a quantum computer using a large-scale quantum dot array.
以上、実施形態について説明されたが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、添付した特許請求の範囲の趣旨内における様々な変形例及び同等の構成が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに本発明は限定されない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をしてもよい。 Although the above describes an embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiment and includes various modifications and equivalent configurations within the spirit of the appended claims. For example, the above-described embodiment has been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to having all of the described configurations. Furthermore, other configurations may be added, deleted, or replaced with part of the configuration of the embodiment.
上記で説明したように、量子ビットは電子に代えて正孔であってもよい。そして、単電子の場合と同様に、ゲート電極を用いて単正孔を抽出し、電圧制御により単正孔の経路選択をする量子コンピュータが提供されてもよい。すなわち、半導体結晶基部上に配置されたゲート電極アレイと、単一正孔を抽出する単正孔製造部と、分岐を含み、半導体結晶基部における単一正孔の搬送路である正孔搬送路と、を備え、ゲート電極アレイを制御することで、単一正孔の分岐先の経路を選択する量子コンピュータが提供されてもよい。As explained above, the quantum bit may be a hole instead of an electron. As in the case of a single electron, a quantum computer may be provided that extracts a single hole using a gate electrode and selects the path of the single hole by voltage control. That is, a quantum computer may be provided that includes a gate electrode array arranged on a semiconductor crystal base, a single hole production unit that extracts a single hole, and a hole transport path that includes a branch and is a transport path for the single hole in the semiconductor crystal base, and that selects the path to which the single hole branches by controlling the gate electrode array.
なお、単正孔を抽出する場合、単電子の場合と逆の電圧により、単正孔が抽出される。また、単正孔の経路選択をする場合、ゲート電極の印加電圧を上げた経路が選択されず、ゲート電極の印加電圧を下げた経路が選択され、単電子の場合と逆となる。 When extracting a single hole, a voltage opposite to that used for a single electron is used to extract the single hole. Furthermore, when selecting a path for a single hole, the path with an increased voltage applied to the gate electrode is not selected, but the path with a decreased voltage applied to the gate electrode is selected, which is the opposite of the case for a single electron.
また、以上の説明より、量子ドットアレイを形成する半導体結晶基部における単一電子または単一正孔を搬送する単一電子/単一正孔搬送方法であって、半導体結晶基部の搬送路上に配置されたゲート電極アレイを用いて、半導体結晶基部の搬送路に沿って単一電子/単一正孔を搬送するステップと、前記搬送路における分岐の直後の位置に配置されたゲート電極の電圧を制御することで、単一電子/単一正孔の分岐先の経路を選択するステップと、を備える単一電子/単一正孔搬送方法が提供される。 In addition, from the above explanation, a single electron/single hole transport method for transporting a single electron or a single hole in a semiconductor crystal base that forms a quantum dot array is provided, which includes the steps of transporting a single electron/single hole along a transport path in the semiconductor crystal base using a gate electrode array arranged on the transport path in the semiconductor crystal base, and selecting a path to which the single electron/single hole branches by controlling the voltage of a gate electrode arranged at a position immediately after the branch in the transport path.
ここで、この単一電子/単一正孔搬送方法に関して、例えば、図4Aの構造に示すように、アシストゲート電極(図4Aでは、ゲート電極414)が更に利用されてもよい。すなわち、この単一電子/単一正孔搬送方法は、単一電子/単一正孔の経路を選択するステップにおいて、分岐の直前の位置に配置されたゲート電極の電圧を更に制御することで、単一電子/単一正孔の経路を選択してもよい。 Here, with regard to this single electron/single hole transport method, for example, as shown in the structure of FIG. 4A, an assist gate electrode (gate electrode 414 in FIG. 4A) may be further utilized. That is, in this single electron/single hole transport method, in the step of selecting the path of the single electron/single hole, the path of the single electron/single hole may be selected by further controlling the voltage of a gate electrode positioned immediately before the branch.
その一方で、例えば、図4Bの構造に示すように、分岐の直後のゲート電極と、分岐の位置のゲート電極と、が利用される構造であってもよい。すなわち、単一電子/単一正孔搬送方法は、単一電子/単一正孔の経路を選択するステップにおいて、搬送路における分岐の位置に配置されたゲート電極の電圧を更に制御することで、単一電子/単一正孔の経路を選択してもよい。On the other hand, for example, as shown in the structure of Figure 4B, a structure may be used in which a gate electrode immediately after the branch and a gate electrode at the branch position are used. That is, in the single electron/single hole transport method, in the step of selecting a path for a single electron/single hole, the path for a single electron/single hole may be selected by further controlling the voltage of a gate electrode arranged at the branch position in the transport path.
単一電子/単一正孔搬送方法は、単電子ルーター、あるいは、単正孔ルーターとして、例えば、量子コンピュータなどの、上記で説明したアプリケーションに用いることができる。 The single-electron/single-hole transport method can be used as a single-electron router or a single-hole router in the applications described above, such as quantum computers.
半導体結晶基部の一例として、半導体結晶基板を用いた構造が説明された。しかしながら、半導体結晶基部は、量子ビットアレイが形成され、上記で説明された搬送方法を実現する構成であればよく、例えば、量子ビットアレイが形成される曲板(半導体結晶の曲板)を用いた構造であってもよい。また、半導体結晶基部は、酸化膜が形成された構造であってもよいし、酸化膜が形成されていない構造であってもよい。 As an example of a semiconductor crystal base, a structure using a semiconductor crystal substrate has been described. However, the semiconductor crystal base may be any structure that has a quantum bit array formed thereon and that realizes the transport method described above. For example, the semiconductor crystal base may be a structure using a curved plate (a curved semiconductor crystal plate) on which the quantum bit array is formed. Furthermore, the semiconductor crystal base may be a structure with or without an oxide film formed thereon.
303・・・チャネル、401、402、403、404、405・・・電圧制御部、410、412、414、416、418、420・・・ポテンシャル障壁、411、413、415、417、419、421・・・量子ドット 303...Channel, 401, 402, 403, 404, 405...Voltage control section, 410, 412, 414, 416, 418, 420...Potential barrier, 411, 413, 415, 417, 419, 421...Quantum dots
Claims (15)
単一電子を抽出する単電子製造部と、
分岐を含み、前記半導体結晶基部における前記単一電子の搬送路である電子搬送路と、
を備え、
前記ゲート電極アレイを制御することで、前記単一電子の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 a gate electrode array disposed on the semiconductor crystal base;
a single electron production unit for extracting a single electron;
an electron transport path including a branch and serving as a transport path for the single electron in the semiconductor crystal base;
Equipped with
By controlling the gate electrode array, a branched path of the single electron is selected.
A quantum computer characterized by:
前記単一電子が入る前記分岐の直前と、前記分岐の直後のゲート電極に少なくとも二種類の電圧を同期して印加することで、前記単一電子の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 10. The quantum computer of claim 1,
a branch destination path of the single electron is selected by applying at least two types of voltages in synchronization to gate electrodes immediately before and immediately after the branch into which the single electron enters;
A quantum computer characterized by:
タイミング制御部と、前記選択の際に印加電圧を制御する少なくとも2つの電圧制御部と、を備え、
第一の電圧制御部から出力される電圧信号と第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部から発生された信号に同期して出力される、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 3. The quantum computer of claim 2,
a timing control unit and at least two voltage control units that control the applied voltages when the selection is made;
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a signal generated by the timing control unit;
A quantum computer characterized by:
前記第一の電圧制御部から出力される電圧信号と前記第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部からの周期的な信号に同期して出力され、
前記第一の電圧制御部および前記第二の電圧制御部による電圧の変化タイミングが、略一致している、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 4. The quantum computer of claim 3,
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a periodic signal from the timing control unit;
the timings of voltage changes by the first voltage control unit and the second voltage control unit are substantially the same;
A quantum computer characterized by:
前記単一電子が入る前記分岐の位置と、前記分岐の直後のゲート電極に少なくとも二種類の電圧を同期して印加することで、前記単一電子の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 10. The quantum computer of claim 1,
a branched path of the single electron is selected by applying at least two types of voltages to the branched position where the single electron enters and to a gate electrode immediately after the branched position in a synchronized manner;
A quantum computer characterized by:
タイミング制御部と、前記選択の際に印加電圧を制御する少なくとも2つの電圧制御部と、を備え、
第一の電圧制御部から出力される電圧信号と第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部から発生された信号に同期して出力される、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 6. The quantum computer of claim 5,
a timing control unit and at least two voltage control units that control the applied voltages when the selection is made;
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a signal generated by the timing control unit;
A quantum computer characterized by:
前記第一の電圧制御部から出力される電圧信号と前記第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部からの周期的な信号に同期して出力され、
前記第一の電圧制御部および前記第二の電圧制御部による電圧の変化タイミングが、略一致している、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 7. The quantum computer of claim 6,
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a periodic signal from the timing control unit;
the timings of voltage changes by the first voltage control unit and the second voltage control unit are substantially the same;
A quantum computer characterized by:
単一正孔を抽出する単正孔製造部と、
分岐を含み、前記半導体結晶基部における前記単一正孔の搬送路である正孔搬送路と、
を備え、
前記ゲート電極アレイを制御することで、前記単一正孔の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 a gate electrode array disposed on the semiconductor crystal base;
a single hole producing unit for extracting a single hole;
a hole transport path including a branch and serving as a transport path for the single hole in the semiconductor crystal base;
Equipped with
By controlling the gate electrode array, a branched path of the single hole is selected.
A quantum computer characterized by:
前記単一正孔が入る前記分岐の直前と、前記分岐の直後のゲート電極に少なくとも二種類の電圧を同期して印加することで、前記単一正孔の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 9. The quantum computer of claim 8,
a branch destination path of the single hole is selected by applying at least two types of voltages in synchronization to gate electrodes immediately before and immediately after the branch into which the single hole enters;
A quantum computer characterized by:
タイミング制御部と、前記選択の際に印加電圧を制御する少なくとも2つの電圧制御部と、を備え、
第一の電圧制御部から出力される電圧信号と第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部から発生された信号に同期して出力される、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 10. The quantum computer of claim 9,
a timing control unit and at least two voltage control units that control the applied voltages when the selection is made;
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a signal generated by the timing control unit;
A quantum computer characterized by:
前記第一の電圧制御部から出力される電圧信号と前記第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部からの周期的な信号に同期して出力され、
前記第一の電圧制御部および前記第二の電圧制御部による電圧の変化タイミングが、略一致している、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 11. The quantum computer of claim 10,
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a periodic signal from the timing control unit;
the timings of voltage changes by the first voltage control unit and the second voltage control unit are substantially the same;
A quantum computer characterized by:
前記単一正孔が入る前記分岐の位置と、前記分岐の直後のゲート電極に少なくとも二種類の電圧を同期して印加することで、前記単一正孔の分岐先の経路を選択する、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 9. The quantum computer of claim 8,
a branch destination path of the single hole is selected by applying at least two types of voltages to the branch position where the single hole enters and to a gate electrode immediately after the branch position in a synchronized manner;
A quantum computer characterized by:
タイミング制御部と、前記選択の際に印加電圧を制御する少なくとも2つの電圧制御部と、を備え、
第一の電圧制御部から出力される電圧信号と第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部から発生された信号に同期して出力される、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 13. The quantum computer of claim 12,
a timing control unit and at least two voltage control units that control the applied voltages when the selection is made;
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a signal generated by the timing control unit;
A quantum computer characterized by:
前記第一の電圧制御部から出力される電圧信号と前記第二の電圧制御部から出力される電圧信号が、前記タイミング制御部からの周期的な信号に同期して出力され、
前記第一の電圧制御部および前記第二の電圧制御部による電圧の変化タイミングが、略一致している、
ことを特徴とする量子コンピュータ。 14. The quantum computer of claim 13,
a voltage signal output from the first voltage control unit and a voltage signal output from the second voltage control unit are output in synchronization with a periodic signal from the timing control unit;
the timings of voltage changes by the first voltage control unit and the second voltage control unit are substantially the same;
A quantum computer characterized by:
ゲート電極アレイを用いて、半導体結晶基部の搬送路に沿って単一電子/単一正孔を搬送するステップと、
前記搬送路における分岐の直後の位置に配置されたゲート電極の電圧を制御することで、単一電子/単一正孔の分岐先の経路を選択するステップと、を備える、
ことを特徴とする単一電子/単一正孔搬送方法。 A single electron/single hole transport method for transporting a single electron or a single hole, comprising:
using a gate electrode array to transport single electrons/single holes along a transport path in the semiconductor crystal base;
and selecting a branched path of the single electron/single hole by controlling a voltage of a gate electrode disposed at a position immediately after the branch in the transport path.
A single electron/single hole transport method.
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