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2011年7月31日 (日)

電子に働くスピン軌道相互作用を電気的に制御することに成功

電子に働くスピン軌道相互作用を電気的に
制御することに成功
(電子スピンを使った量子計算機の開発に
新展開)

平成23年7月25日
科学技術振興機構(JST)
東京大学 大学院工学系研究科
東京大学 生産技術研究所
日本電信電話株式会社

詳細は、リンクを参照して下さい。

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 JST 課題達成型基礎研究の一環
として、東京大学 大学院工学系研究科の
大岩 顕 講師と樽茶 清悟 教授や
日本電信電話株式会社(以下、NTT)の
研究チームは、半導体量子ドット注1)
において、電子に働くスピン軌道相互作用
注2)の大きさを、電気的に制御すること
に世界で初めて成功しました。

 電子スピン注3)は、電子が持つ磁石の
ような性質で、情報の基本単位である
「ビット」として利用することが可能です
が、単一の電子スピンの情報を操作して
記憶する技術の開発は、量子情報処理分野
で重要な課題となっていました。

 電子スピンを操作する方法としては、
スピンに働く軌道相互作用の利用が
知られています。

 この作用を強くすれば電子を高速に回転
でき、逆にスピンの情報を記憶する時には、
スピン軌道相互作用をできるだけ小さく
します。しかし、そのためには、軌道相互
作用の大きさを電気的に制御する技術が
必要不可欠ですが、これまでに成功した例
はありませんでした。

 本研究チームは、スピン軌道相互作用が
強い材料であるヒ化インジウム(InAs)
の半導体量子ドットと呼ばれる
ナノメートルサイズ(ナノは10億分の1)
の箱のような空間に電子を閉じ込めること
により、この空間の中の電子の位置を電界
で制御する方法と、それを評価する新しい
方法を組み合わせることで、スピン軌道
相互作用の大きさを電気的に制御すること
に成功しました。

 これにより、絶対安全な暗号や莫大な
データベース検索など次世代高度情報化
社会を支える量子情報処理技術の発展に
大きく貢献することが期待されます。

 本研究成果は、東京大学 生産技術研究所
平川 一彦 教授との共同研究で得られ、
2011年7月24日(英国時間)に
英国科学雑誌「Nature Nano
technology」のオンライン速報版
で公開される予定です。
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<研究の背景と経緯>の中で、
数個の電子を閉じ込めた半導体量子ドット
がスピン量子ビット注4)として有望視
されています。
基本的な演算は、1つの電子スピンの方向
を操作(回転)することです。
そこで鍵となるのがスピン軌道相互作用
です。
すでにスピン軌道相互作用を含めいくつか
の方法で、量子ドット中の単一電子スピン
操作が実現されています。
スピン軌道相互作用を利用すると、電界は
磁場に変換されて電子スピンを回転させる
ことができます(図1)。
スピン軌道相互作用が強ければ、高速に
回転させることができます。
しかし、スピン軌道相互作用はスピンの
方向が乱れる(緩和)要因でもあり、
情報を長い時間保持しておくためには、
スピン軌道相互作用は弱いほうが望ましい
と考えられています。
従って、スピン軌道相互作用を単一の素子中
でうまく利用して、高性能な
スピン量子ビットを実現するには、
量子ドット中の電子数を一定に保ったまま、
その大きさを電気的に制御する技術が
必要不可欠です。
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と言ってます。

なんとなくわかります。
「スピン軌道相互作用の大きさを電気的に
制御することに成功しました。」
ということは、量子ビットをうまく制御
できたということですね。

理想的な機能を持つ電子スピン量子ビットや
スピン軌道相互作用スイッチング素子の開発
への一歩を進めることが出来たと言うことで、
今後に期待したい。

量子コンピュータの実現はいつ頃になるので
しょうか?

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