結合半導体電荷量子ビットによる2量子ビット演算

太田剛　新海剛^*　林稔晶　藤澤利正^*
量子電子物性研究部　^*東京工業大学

　量子力学の原理に基づく並列計算を利用した量子コンピュータは従来のコンピュータをはるかに凌ぐ計算能力が期待されている。近年は量子アルゴリズムを実行する上で必要な2量子ビット演算の実現に向けた研究が進展している。これまでに超伝導電荷量子ビットにおいては、加算や乗算等の演算を行う制御反転演算が実現され、半導体を用いた電子スピン量子ビットにおいては、2つの量子ビットの情報を交換する交換演算が実現されている[1, 2]。従来の素子ではどちらか1種類の演算しか実現されていなかった。有限なコヒーレンス時間の中で演算を行うためには複数の演算をより小数ステップで効率的に行うことが必要であると考えられる。我々は制御反転演算や交換演算などの複数の機能的な2量子ビット演算をそれぞれシングルステップで実現できる素子を開発し、実験的に実証した[3]。
　図1は素子の模式図である。二重量子ドットからなる電荷量子ビットを2つ集積化し、2量子ビット操作の実験を行った。それぞれの量子ビットは電気的に絶縁されており、独立に伝導特性を測定することができる。11本のゲート電極に印加する電圧を調整することにより2つの量子ビットのパラメータを調整することができる。第1量子ビットに高速電圧パルスを印加し、量子ビットを流れる電流を測定する。第1量子ビットにおいて左（右）のドットに電子がいる場合を|0> (|1>)と表記すると|0>と|1>の重ねあわせ状態の生成を示すコヒーレント振動が観測される。量子ビット間の静電結合（クーロン相互作用）により、第1量子ビットの伝導特性は第2量子ビットの電荷状態に強く依存する。この静電結合を用いて一次のトンネル過程に起因する条件付きコヒーレント振動を観測し、制御回転(CROT)演算を実現した（図2）。さらに、量子ビットのパラメータを制御して二次のトンネル過程を用いることにより相関コヒーレント振動を観測し、交換(SWAP)演算を実証した（図3）。
　本研究の一部は総務省SCOPEの援助を受けて行われた。

[1] T. Yamamoto et al., Nature 425 (2003) 941.
[2] J. R. Petta et al., Science 309 (2005) 2180.
[3] G. Shinkai et al., Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 056802.
　

図１　 半導体量子ドットを用いた 2量子ビット素子。		図2　 第1量子ビットの条件付きコヒー レント振動。(a)と(b)はそれぞれ 第2量子ビットが|1>、|0>の場合。		図3　 (a) 第1量子ビットの相関コヒー レント振動。(b)は図2の条件付 きコヒーレント振動を示す。

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