NTT物性科学基礎研究所は、半導体の微細加工によって「電荷量子ビット」を集積化し、複数種の二量子ビット演算が可能な「多機能量子演算素子」の開発に成功しました。これは、量子情報処理に必要な「制御反転演算」や、量子ビットの情報を交換する「交換演算」などの複数の機能を１つの素子で実現できることを示した成果であり、量子コンピュータなどの量子情報処理技術への応用が期待されます。

半導体電荷量子ビットは電子を閉じ込めることのできる大きさ100 nm程度の微小な２つの箱（量子箱）からなり、電子が左右どちらの量子箱にいるかによって「０」、「１」を表し、さらにそれらの任意の重ね合わせを作り出すことができます。本研究で作製した素子は図１に示すように、２つの電荷量子ビットを集積化したものです。この素子を用いて以下の２種類のコヒーレント振動を観測しました。

条件付きコヒーレント振動： 第１量子ビットに高速電圧パルス信号を印加したとき、第２量子ビットの値が「１」のときだけ第１量子ビットの情報が「０」と「１」の間を周期的に変化する振動です（図２Ａ）。観測した振動の半周期分の電圧パルスを印加することで「制御反転演算」を実現することができます。

相関コヒーレント振動： ゲート電圧条件を調整して第１量子ビットに高速電圧パルス信号を印加すると、第１量子ビットの情報が「０」から「１」に変化するのと同期して第２量子ビットの情報が「１」から「０」に変化する振動が観察されました（図２Ｂ）。２つの量子ビットの値が相関を伴って振動することから、相関コヒーレント振動と呼ぶことができます。この条件では、振動の半周期分の電圧パルスを与えることによって第１量子ビットと第２量子ビットの情報を交換する「交換演算」を実現できます。

いずれの場合も周期的な振動を示すことは量子干渉性（コヒーレンス）が存在することを意味し、この素子が量子情報処理に利用できることを示しています。「制御反転演算」と「交換演算」が１つの素子でそれぞれ１ステップで実行できることで、より効率的な量子情報処理が可能となります。今後は半導体ナノデバイスの優れた制御性・集積性を利用して本成果を発展させ、量子コンピュータの実現を目指します。

本成果は国立大学法人東京工業大学と共同で得られたもので、米国科学誌「Physical Review Letters」の2009年7月28日（日本時間29日）発行の電子版に掲載される予定です。また本研究の一部は、総務相戦略的情報通信研究開発推進制度（SCOPE）「半導体ナノ構造による量子情報インターフェースの研究」、日本学術振興会科学研究費補助金「表面弾性波による半導体量子構造の電子状態の観測と制御」、東京工業大学グローバルCOEプログラム「ナノサイエンスを拓く量子物理学拠点」の助成を受けて行われました。

⇒ニュースリリース
⇒量子固体物性研究グループ

半導体表面（図の青色部）上に作製された微細なゲート電極（図の金色部）に電圧を印加することにより、４つの量子箱（図の白い丸）を形成することができます。上側の２つの量子箱は第１量子ビット、下の２つの量子箱は第２量子ビットとして機能し、右上の電極（白い領域）に矩形電圧パルスを印加することにより、二量子ビット演算を実現しました。

第１量子ビットを流れる電流を観測すると、電圧パルスの時間に依存したコヒーレント振動が観測されます。条件付きコヒーレント振動（Ａ）は、第２量子ビットの電子が右側にあるときにのみ第１量子ビットの電子が振動するもので、半周期分のパルスによって「制御反転演算」を実現できます。相関コヒーレント振動（Ｂ）は、両方の量子ビットの電子が相関をもって振動するもので、半周期分のパルスで「交換演算」を実現できます。