JP2001053270A - Quantum arithmetic element and integrated circuit - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、電子スピンと原
子核スピンとの相互作用を利用して演算を実行する量子
演算素子、および、この量子演算素子が搭載された集積
回路に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a quantum operation device that performs an operation by utilizing the interaction between an electron spin and a nuclear spin, and an integrated circuit equipped with the quantum operation device.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、微細加工技術の進展に伴って、2
50nm〜180nmの最小加工線幅を有する半導体集積回
路の量産が可能になってきている。微細加工技術は今後
も3年から4年毎に世代を更新し、30nm程度の最小加
工線幅を有する半導体集積回路の開発計画がなされてい
る。尚、実験レベルでは、10nm程度の最小加工線幅が
可能になっている。2. Description of the Related Art In recent years, with the development of fine processing technology,
Mass production of semiconductor integrated circuits having a minimum processing line width of 50 nm to 180 nm has become possible. In the future, the generation of the fine processing technology will be updated every three to four years, and a development plan of a semiconductor integrated circuit having a minimum processing line width of about 30 nm has been made. At the experimental level, a minimum processing line width of about 10 nm is possible.
【0003】一方において、固体物理学の分野において
は、固体中の不純物原子の原子核とその原子核に補足さ
れている電子との間で、所謂電子‐核二重共鳴現象が生
ずることが知られている。On the other hand, in the field of solid state physics, it is known that a so-called electron-nucleus double resonance phenomenon occurs between the nucleus of an impurity atom in a solid and an electron captured by the nucleus. I have.
【0004】従来、上記電子‐核二重共鳴現象を利用し
た固体素子として、図8に素子構造を示すようなものが
知られている(B.E.Kane,「A silicon-based nuclear s
pinquantum computer」Nature,vol.393,pp.133-137,
14May 1998.)。Conventionally, as a solid-state device utilizing the above-described electron-nuclear double resonance phenomenon, a device having a device structure as shown in FIG. 8 is known (BEKane, “A silicon-based nuclear s”).
pinquantum computer ”Nature, vol.393, pp.133-137,
14May 1998.).
【0005】図8において、1はAゲート、2はJゲー
トと呼ばれるゲートである。また、3,5は絶縁物層で
あり、4はシリコン単結晶層である。また、6は支持基
板である。シリコン単結晶層4のシリコン原子は、原子
核スピン量子数が0の同位体 28Si,30Siだけからなっ
ており、原子核スピン量子数が1/2の同位体29Siは除
去されている。In FIG. 8, 1 is an A gate and 2 is a J gate.
Gate. Also, 3 and 5 are insulator layers
And 4 is a silicon single crystal layer. 6 is a support group
It is a board. The silicon atoms of the silicon single crystal layer 4 are atoms
Isotope with zero nuclear spin quantum number 28Si,30Consists only of Si
Has a nuclear spin quantum number of 1/229Si is excluded
Has been left.
【0006】また、上記シリコン単結晶層4の中にはド
ナー原子核7が導入されている。リン原子の自然同位体
は31Pが100%であり、原子核スピン量子数は1/2
である。したがって、シリコン単結晶層4の中に導入さ
れているドナー原子核7としてリン原子の原子核を用い
ることによって、その原子核スピンを測定することが可
能となる。本固体素子を十分な低温下に置くと、自由電
子はドナー原子核7の周囲に束縛されるようになる。8
は、ドナー原子核7に束縛された電子の波動関数の確率
密度(所謂電子雲であり、以下においては電子雲と記述
する)を示している。A donor nucleus 7 is introduced into the silicon single crystal layer 4. The natural isotope of the phosphorus atom is 100% 31 P, and the nuclear spin quantum number is 1/2.
It is. Therefore, by using a phosphorus atom nucleus as the donor nucleus 7 introduced into the silicon single crystal layer 4, the nuclear spin can be measured. When the solid state device is placed at a sufficiently low temperature, free electrons are bound around the donor nucleus 7. 8
Indicates the probability density of a wave function of an electron bound to the donor nucleus 7 (a so-called electron cloud, hereinafter referred to as an electron cloud).
【0007】上記リン原子は、シリコン中ではドナーと
なる。ドナー原子には5個の電子があり、このうちの4
個は結晶の共有結合に含まれて反磁性となっているが、
5番目の電子はスピンS=1/2の常磁性中心となって
捕らえられている。上記ドナー電子の波動関数は中心の
ドナー原子を占めるだけではなく、数百個のシリコン原
子の上にまで広がっている。シリコンの原子核スピンは
超微細構造をさらに付加する。この現象は、電子スピン
と核磁気の二重共鳴(ENDOR)として観測できる。[0007] The phosphorus atoms serve as donors in silicon. The donor atom has five electrons, four of which
Individuals are contained in covalent bonds of the crystal and are diamagnetic,
The fifth electron is captured as a paramagnetic center with a spin S = 1/2. The donor electron wave function not only occupies the central donor atom, but also extends over hundreds of silicon atoms. The nuclear spin of silicon adds an extra fine structure. This phenomenon can be observed as double resonance (ENDOR) of electron spin and nuclear magnetism.
【0008】静磁場B0のもとでは、イオンのエネルギ
ー準位は主に電子準位のゼーマンエネルギー分裂によっ
て決定される。つまり、電子のスピン量子数ms=±1/
2でエネルギーの高い準位と低い準位とが決まる。超微
細相互作用は、エネルギー準位を更に細かく分裂させ
る。つまり、原子核のスピン量子数ml=±1/2でエネ
ルギーの高い準位と低い準位とに分れる。電子の遷移に
は2種類あり、それらは原子核のスピン量子数がml=
−1/2の場合とml=+1/2の場合に相当する。夫々
の遷移の振動数をω1,ω2とすると、ω1=γB0−a/2
(h/2π),ω2=γB0+a/2(h/2π)である。尚、ω
1はml=−1/2のときのms=±1/2間での遷移であ
り、ω2はml=+1/2のときのms=±1/2間での遷
移である。ここで、aは超微細構造定数であり、γは定
数で磁気回転比であり、hはプランク定数である。[0008] Under a static magnetic field B 0 , the energy level of an ion is mainly determined by the Zeeman energy splitting of the electron level. That is, the electron spin quantum number ms = ± 1 /
2 determines a high energy level and a low energy level. Hyperfine interactions cause the energy levels to break up more finely. That is, at the spin quantum number m l = ± 1/2 of the nucleus, it is divided into a high energy level and a low energy level. There are two types of electron transitions, which have a nuclear spin quantum number m l =
This corresponds to the case of − / and the case of m l = + /. Assuming that the frequencies of the respective transitions are ω 1 and ω 2 , ω 1 = γB 0 −a / 2
(h / 2π), ω 2 = γB 0 + a / 2 (h / 2π). Note that ω
1 is a transition between ms = ± 1/2 when ml = − /, and ω 2 is a transition between ms = ± 1/2 when ml = + /. is there. Here, a is a hyperfine structure constant, γ is a constant, a gyromagnetic ratio, and h is a Planck constant.
【0009】このような状態においては、上記ドナー原
子核7の原子核スピン角運動量と電子の電子スピン角運
動量との和が角運動量保存則に従って保存される。電子
スピンと原子核スピンとは、所謂超微細相互作用によっ
て互いに相関関係を持っている(例えば、キッテル著
「固体物理学入門(下)」,丸善)。In such a state, the sum of the nuclear spin angular momentum of the donor nucleus 7 and the electron spin angular momentum of the electron is stored in accordance with the angular momentum conservation law. Electron spin and nuclear spin have a correlation with each other by so-called hyperfine interaction (for example, Kittel, "Introduction to Solid State Physics (below)", Maruzen).
【0010】スピンは、よく知られているように2状態
に量子化された物理量であり、+1/2と−1/2との量
子数を持つことができる。その結果、図8に示す固体素
子を一定の静磁場中に置くと、スピンの違いが共鳴周波
数の違いとして現れる。したがって、リン原子核のスピ
ン量子数「+1/2」と「−1/2」とに情報「0」および情報
「1」の何れかを割り当てた際に、上記共鳴周波数を測定
することによって、上記固体素子に記憶された情報の内
容を知ることができるのである。[0010] As is well known, spin is a physical quantity quantized into two states, and can have a quantum number of +1/2 and -1/2. As a result, when the solid-state device shown in FIG. 8 is placed in a constant static magnetic field, a difference in spin appears as a difference in resonance frequency. Therefore, when one of the information “0” and the information “1” is assigned to the spin quantum numbers “++ 1” and “− /” of the phosphorus nucleus, the resonance frequency is measured. It is possible to know the contents of the information stored in the solid state device.
【0011】図9(a)は、図8に示す固体素子における
Aゲート1の電位を上昇させた場合の状態を示してい
る。電子雲9a,9bは、Aゲート1側に引き寄せられ
る。このとき、さらに一方のJゲート2aの電位を上昇
させると、図9(b)に示すように、二つの電子雲10a,
10bの端部はJゲート2a下において互いに重なり合う
ことになる。尚、今一つのJゲート2bの電位は上昇さ
せていない。この場合、電子雲10aと電子雲10bとは
重なり合って一つの電子雲11を構成しているため、元
々電子雲9aと電子雲9bとに個別に拘束されていた電子
は、新たにできた一つの電子雲11中の何処かに存在し
ていることになる。FIG. 9A shows a state in which the potential of the A gate 1 in the solid-state device shown in FIG. 8 is increased. The electron clouds 9a and 9b are drawn to the A gate 1 side. At this time, when the potential of one of the J gates 2a is further increased, as shown in FIG.
The ends of 10b will overlap each other under J-gate 2a. Incidentally, the potential of another J gate 2b is not raised. In this case, since the electron cloud 10a and the electron cloud 10b overlap to form one electron cloud 11, the electrons originally bound individually to the electron cloud 9a and the electron cloud 9b are replaced by a newly formed electron cloud. That is, it exists somewhere in one electron cloud 11.
【0012】このように、図8に示す固体素子において
は、Jゲート2の電位を操作することによって、あるド
ナー原子核7bのスピン状態を次々に隣り合ったドナー
原子核7aへと伝達することができる。したがって、適
切な操作手順を与えることによって、所望の演算操作を
行うことが可能になるのである。As described above, in the solid-state device shown in FIG. 8, the spin state of a certain donor nucleus 7b can be successively transmitted to the adjacent donor nuclei 7a by manipulating the potential of the J gate 2. . Therefore, by giving an appropriate operation procedure, it is possible to perform a desired arithmetic operation.
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の固体素子においては以下のような問題がある。すな
わち、第1に、上記固体素子では、ドナー原子核7直上
に位置するAゲート1と隣接するドナー原子核7,7の
中間上に位置するJゲート2との電位を制御することに
よって、所望の演算操作を行うようにしている。したが
って、Aゲート1を形成する場合には、シリコン単結晶
層4をエピタキシャル成長させる途中で所謂デルタドー
プ法を用いて導入されたドナー原子の上部に形成する必
要がある。そこで、導入したドナー原子の位置を検出す
るのであるが、ドナー原子の位置は表面からの観察では
検出できないために、Aゲート1の形成が困難であると
いう問題がある。延いては、本固体素子の形成が困難で
あるという問題がある。However, the above-mentioned conventional solid-state device has the following problems. That is, first, in the above-described solid-state device, a desired operation is performed by controlling the potentials of the A gate 1 located immediately above the donor nucleus 7 and the J gate 2 located in the middle between the adjacent donor nuclei 7 and 7. The operation is performed. Therefore, when the A gate 1 is formed, it is necessary to form the A gate 1 above the donor atoms introduced by so-called delta doping during the epitaxial growth of the silicon single crystal layer 4. Then, the position of the introduced donor atom is detected. However, since the position of the donor atom cannot be detected by observation from the surface, there is a problem that the formation of the A gate 1 is difficult. As a result, there is a problem that it is difficult to form the solid-state device.
【0014】第2に、上記固体素子においては、電子が
ドナー原子核7の近傍に束縛されるためには、絶対0度
近くの極低温にする必要があり、実用上問題がある。Second, in the above-described solid-state device, in order for electrons to be bound in the vicinity of the donor nucleus 7, it is necessary to set the cryogenic temperature to almost zero degree, which poses a practical problem.
【0015】そこで、この発明の目的は、極低温にする
ことなく電子をドナー原子核近傍に束縛できる製作が容
易な量子演算素子、および、この量子演算素子を搭載し
た集積回路を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an easily manufactured quantum operation device capable of binding electrons to the vicinity of a donor nucleus without making the temperature extremely low, and an integrated circuit equipped with the quantum operation device. .
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第1の発明の量子演算素子は、基板上に形成された
第1絶縁膜と、上記第1絶縁膜上に配置されたシリコン
単結晶微粒子と、上記第1絶縁膜上に,上記シリコン単
結晶微粒子を挟んで形成された第2絶縁膜と、上記第2
絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子
の位置に形成された金属電極を備えて、上記シリコン単
結晶微粒子の中に不純物としてリン原子を含んでいるこ
とを特徴としている。In order to achieve the above object, a quantum operation device according to a first aspect of the present invention comprises a first insulating film formed on a substrate and a single silicon film disposed on the first insulating film. Crystal fine particles; a second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particles interposed therebetween;
A metal electrode formed at least at the position of the silicon single crystal fine particles on the insulating film is provided, and the silicon single crystal fine particles contain a phosphorus atom as an impurity.
【0017】上記構成によれば、シリコン単結晶微粒子
には、情報「0」,「1」の何れかがリン原子核のスピン量
子数として保持される。そして、上記スピン量子数を測
定することによって上記保持情報が読み出される。その
際に、金属電極に電位を与えてリン原子の電子雲を金属
電極側に引き寄せておくと、共鳴周波数が変化する。そ
うすることによって、上記スピン量子数は選択的に測定
できる。According to the above configuration, one of the information “0” and “1” is held as the spin quantum number of the phosphorus nucleus in the silicon single crystal fine particles. Then, the held information is read out by measuring the spin quantum number. At this time, when a potential is applied to the metal electrode to draw the electron cloud of phosphorus atoms toward the metal electrode, the resonance frequency changes. By doing so, the spin quantum number can be selectively measured.
【0018】その際に、ドナー原子としてのリン原子
は、シリコン単結晶微粒子中に含まれており、ドナー電
子はこのシリコン単結晶微粒子が形成するポテンシャル
井戸によって束縛されている。そのため、極低温状態に
することなく電子がドナー原子核の近傍に束縛され、実
用上問題なく使用される。At this time, phosphorus atoms as donor atoms are contained in the silicon single crystal fine particles, and the donor electrons are bound by a potential well formed by the silicon single crystal fine particles. Therefore, the electrons are bound to the vicinity of the donor nucleus without being brought to a very low temperature state, and are used without any practical problem.
【0019】さらに、上記シリコン単結晶微粒子が量子
演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機械
的形状によって決まる。したがって、上記セルが複数在
っても、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整合技術
を用いて、金属電極が各ドナー原子上に容易に且つ正確
に形成される。Further, the silicon single crystal fine particles constitute a cell of a quantum operation device, and the position of the cell is determined by a mechanical shape. Therefore, even if there are a plurality of the above cells, the metal electrode can be easily and accurately formed on each donor atom by using the conventional photolithography technology or the self-alignment technology.
【0020】また、第2の発明の量子演算素子は、基板
上に形成された第1の絶縁膜と、上記第1絶縁膜上に配
列された複数のシリコン単結晶微粒子が互いに接続され
てなるシリコン単結晶微粒子列と、上記第1絶縁膜上
に,上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで形成された第
2絶縁膜と、上記第2絶縁膜上における少なくとも上記
シリコン単結晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備
えて、上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物として
リン原子を含んでいることを特徴としている。A quantum operation device according to a second aspect of the present invention comprises a first insulating film formed on a substrate and a plurality of silicon single crystal fine particles arranged on the first insulating film connected to each other. A silicon single crystal fine particle row, a second insulating film formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particle row interposed therebetween, and at least a position of the silicon single crystal fine particle row on the second insulating film. The semiconductor device is characterized in that the silicon single crystal fine particles include a phosphorus atom as an impurity with the formed metal film.
【0021】上記構成によれば、複数のシリコン単結晶
微粒子は、互いに接続されて一つのシリコン単結晶微粒
子列を構成している。したがって、金属膜に電位を与え
た場合には、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せら
れて上記シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン
単結晶微粒子の夫々に分離される。一方、上記金属膜に
電位を与えない場合には、リンの電子雲は上記シリコン
単結晶微粒子列内全体に広がる。したがって、上記金属
膜の電位を制御することによって、複数のリン原子間で
の電子を媒体とした原子核スピンの交換が可能になる。According to the above configuration, the plurality of silicon single crystal fine particles are connected to each other to form one silicon single crystal fine particle row. Therefore, when a potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus is attracted to the metal film side and separated into each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row. On the other hand, when no potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus spreads throughout the silicon single crystal fine particle row. Therefore, by controlling the potential of the metal film, it is possible to exchange nuclear spins between a plurality of phosphorus atoms using electrons as a medium.
【0022】さらに、上記第1の発明の場合と同様に、
極低温状態にすることなく電子がドナー原子核の近傍に
束縛され、実用上問題なく使用できる。また、上記シリ
コン単結晶微粒子の夫々で成る各セルの位置は機械的形
状によって決まるため、従来のフォトリソグラフィ技術
や自己整合技術を用いて、金属膜が各ドナー原子上に容
易に形成される。Further, as in the case of the first aspect,
Electrons are bound to the vicinity of the donor nucleus without a cryogenic state, and can be used without any practical problems. In addition, since the position of each cell made of each of the silicon single crystal fine particles is determined by a mechanical shape, a metal film is easily formed on each donor atom using a conventional photolithography technique or a self-alignment technique.
【0023】また、上記第1あるいは第2の発明の量子
演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28S
iと同位体30Siのシリコン原子で構成することが望まし
い。In the quantum operation device according to the first or second aspect of the present invention, the silicon single crystal fine particles may be treated with an isotope 28 S
It is desirable to be composed of silicon atoms of i and 30 Si isotope.
【0024】上記構成によれば、上記シリコン単結晶微
粒子のシリコン原子は、原子核スピン量子数が0の同位
体28Si,30Siだけからなっており、原子核スピン量子
数が1/2の同位体29Siは含まれていない。したがっ
て、自然同位体は31Pが100%であって原子核スピン
量子数は1/2であるリン原子の原子核スピンの違いが
容易に検知される。According to the above configuration, the silicon atoms of the silicon single crystal fine particles are composed of only the isotopes 28 Si and 30 Si having a nuclear spin quantum number of 0, and the isotopes having a nuclear spin quantum number of 1/2. 29 Si is not included. Therefore, the difference in the nuclear spin of the phosphorus atom, in which the natural isotope has 31 P of 100% and the nuclear spin quantum number is /, can be easily detected.
【0025】また、上記第1あるいは第2の発明の量子
演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を10
nm以下にすることが望ましい。Further, in the quantum operation device according to the first or second invention, the diameter of each of the silicon single crystal fine particles is 10
It is desirable to set it to nm or less.
【0026】上記構成によれば、上記各シリコン単結晶
微粒子の直径は10nm以下であるから、不純物であるリ
ン原子を適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子と
しての上記リン原子は、上記各シリコン単結晶微粒子の
中に略1個だけ含まれていると見なすことができる。し
たがって、1個の原子核スピンを独立して操作すること
ができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することがで
きる(1個のシリコン単結晶微粒子の中に複数個のドナ
ー原子核が存在すると、平均値としての操作しかできな
い)。According to the above configuration, the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm or less. Therefore, if phosphorus atoms as impurities are mixed at an appropriate low concentration, the phosphorus atoms as the donor atoms will It can be considered that only about one silicon single crystal fine particle is contained. Therefore, one nuclear spin can be independently manipulated, and a quantum mechanical superposition state can be used. (If a plurality of donor nuclei are present in one silicon single crystal fine particle, the average You can only operate as a value).
【0027】また、上記第2の発明の量子演算素子は、
上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する
各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成する
ことが望ましい。The quantum operation device according to the second aspect of the present invention includes:
It is desirable to form a plurality of the metal films corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row.
【0028】上記構成によれば、上記シリコン単結晶微
粒子列を構成する各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応
して複数形成された金属膜の電位を操作することによっ
て、あるリン原子核のスピン状態が次々に隣り合ったリ
ン原子核へと伝達される。したがって、適切な操作手順
を与えることによって、所望の演算操作が行われる。According to the above configuration, the spin state of a certain phosphorus nucleus is changed by controlling the potential of a plurality of metal films formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row. It is successively transferred to the adjacent phosphorus nuclei. Therefore, a desired calculation operation is performed by giving an appropriate operation procedure.
【0029】また、第3の発明の集積回路は、上記第1
あるいは第2の発明の量子演算素子が搭載された集積回
路チップを、磁性体チップで挟んで成ることを特徴とし
ている。The integrated circuit according to a third aspect of the present invention is the integrated circuit according to the first aspect.
Alternatively, an integrated circuit chip on which the quantum operation device of the second invention is mounted is sandwiched between magnetic chips.
【0030】上記構成によれば、特別な磁場印加手段を
設けることなく、磁性体チップによって、集積回路チッ
プ上の量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。し
たがって、本集積回路単体で、コンタクト超微細相互作
用を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能にな
る。According to the above configuration, the static magnetic field can be continuously applied to the entire quantum operation element on the integrated circuit chip by the magnetic chip without providing any special magnetic field applying means. Therefore, it becomes possible to operate the nuclear spin by utilizing the contact hyperfine interaction by the integrated circuit alone.
【0031】また、第4の発明の集積回路装置は、上記
第1あるいは第2の発明の量子演算素子が形成された集
積回路チップが搭載された回路基盤を、磁性体で挟んで
成ることを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an integrated circuit device comprising a circuit board on which an integrated circuit chip on which the quantum operation element of the first or second aspect is formed is sandwiched by a magnetic material. Features.
【0032】上記構成によれば、特別な磁場印加手段を
設けることなく、磁性体によって、集積回路チップ上の
量子演算素子全体に静磁場が与え続けられる。したがっ
て、本集積回路装置単体で、コンタクト超微細相互作用
を利用して原子核スピンの操作を行うことが可能にな
る。According to the above configuration, a static magnetic field can be continuously applied to the entire quantum operation element on the integrated circuit chip by the magnetic material without providing any special magnetic field applying means. Therefore, it becomes possible to operate the nuclear spin by utilizing the contact hyperfine interaction in the integrated circuit device alone.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments.
【0034】<第1実施の形態>図1は、本実施の形態
の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基
板21の表面に形成された第1酸化シリコン膜22上
に、シリコン単結晶微粒子24〜27が略等間隔に配列
されている。さらに、第1酸化シリコン膜22上には、
シリコン単結晶微粒子24〜27を挟んで第2酸化シリ
コン膜23が形成され、この第2酸化シリコン膜23上
には、各シリコン単結晶微粒子24〜27の位置に対応
して金属電極28〜31が形成されている。<First Embodiment> FIG. 1 is a schematic sectional view of a quantum operation device according to the present embodiment. On a first silicon oxide film 22 formed on the surface of a silicon substrate 21, silicon single crystal fine particles 24 to 27 are arranged at substantially equal intervals. Further, on the first silicon oxide film 22,
A second silicon oxide film 23 is formed with silicon single crystal fine particles 24 to 27 interposed therebetween. Metal electrodes 28 to 31 corresponding to the positions of silicon single crystal fine particles 24 to 27 are formed on second silicon oxide film 23. Are formed.
【0035】上記シリコン単結晶微粒子24〜27の中
にはドナー原子としてリン原子32〜35が含まれてお
り、夫々のリン原子32〜35の電子雲は、各シリコン
単結晶微粒子24〜27内全体に広がっている。したが
って、リン原子32〜35から離脱した電子は自由電子
ではあるが、各シリコン単結晶微粒子24〜27中に空
間的に閉じ込められており、束縛電子と同様にリン原子
32〜35の近傍にしか存在できない。The silicon single crystal fine particles 24 to 27 contain phosphorus atoms 32 to 35 as donor atoms, and the electron clouds of the phosphorus atoms 32 to 35 are formed in the respective silicon single crystal fine particles 24 to 27. Spread throughout. Therefore, although the electrons detached from the phosphorus atoms 32 to 35 are free electrons, they are spatially confined in the silicon single crystal fine particles 24 to 27, and only in the vicinity of the phosphorus atoms 32 to 35 like the bound electrons. Cannot exist.
【0036】上記シリコン単結晶微粒子24〜27の形
成方法としては、例えば特開平11‐97667号公報
に開示されているような方法で形成できる。また、金属
電極28〜31の形成方法としては、通常の集積回路と
同様にフォトリソグラフィで形成できる。あるいは、文
献「Inoue,et.al.,Appl.Phys.Lett.,Vol.73,No.14,pp.19
76-1978,1998」に開示されている有機分子膜の形成方法
を利用して、シリコン単結晶微粒子24〜27上に自己
整合的に有機分子膜を形成して金属電極28〜31の形
状に成してもよい。特に後者の方法は、シリコン単結晶
微粒子24〜27の間隔を狭くした場合に有効である。The silicon single crystal fine particles 24 to 27 can be formed by a method disclosed in, for example, JP-A-11-97667. The metal electrodes 28 to 31 can be formed by photolithography in the same manner as in a normal integrated circuit. Alternatively, the literature `` Inoue, et.al., Appl.Phys.Lett., Vol. 73, No. 14, pp. 19
76-1978, 1998, an organic molecular film is formed in a self-aligned manner on silicon single crystal fine particles 24 to 27 by using the method of forming an organic molecular film disclosed in May be implemented. In particular, the latter method is effective when the distance between the silicon single crystal fine particles 24 to 27 is narrowed.
【0037】このように、本実施の形態によれば、上記
シリコン単結晶微粒子24〜27の夫々が量子演算素子
の基本構造(セル)を構成している。したがって、機械的
形状によってセルの位置が決まり、図8に示す従来の固
体素子の形成時のように、金属電極28〜31を形成す
る際にリン原子32〜35の位置を検出する必要がな
く、量子演算素子の作成が非常に容易になる。As described above, according to the present embodiment, each of the silicon single crystal fine particles 24 to 27 constitutes a basic structure (cell) of the quantum operation element. Therefore, the position of the cell is determined by the mechanical shape, and it is not necessary to detect the positions of the phosphorus atoms 32 to 35 when forming the metal electrodes 28 to 31 as in the case of forming the conventional solid-state device shown in FIG. In addition, it becomes very easy to create a quantum operation device.
【0038】本実施の形態における量子演算素子は、図
8に示す従来の固体素子と同様に、ドナー原子核と電子
とのコンタクト超微細構造相互作用(コンタクト・ハイパ
ーファイン・インタラクション)を利用する。そのために
は、シリコン単結晶微粒子24〜27を構成するシリコ
ンは、同位体28Siと30Siとだけから構成されていなけ
ればならない。The quantum operation device according to the present embodiment utilizes contact hyperfine interaction (contact hyperfine interaction) between donor nuclei and electrons, similarly to the conventional solid-state device shown in FIG. For this purpose, the silicon contained in the silicon single crystal particles 24 to 27, must be composed only of the isotope 28 Si and 30 Si.
【0039】先ず、図1中における1つのシリコン単結
晶微粒子24に関して上記コンタクト超微細構造相互作
用の説明を行う。ドナー原子(リン原子)32の原子核の
位置を原点とする極座標を考えると、電子の波動関数は
関数ψ(r)と表すことができる。ここで、rは原点から
の距離である。ドナー原子核と電子との間におけるコン
タクト超微細構造相互作用エネルギーの強さは、r=0
における電子の存在確率|ψ(0)|2に比例する。したがっ
て、上記コンタクト超微細構造相互作用エネルギーを大
きくするためには、電子の存在確率|ψ(0)|2を大きくし
なければならない。First, the interaction of the contact ultrafine structure with respect to one silicon single crystal fine particle 24 in FIG. 1 will be described. Considering the polar coordinates whose origin is the position of the nucleus of the donor atom (phosphorus atom) 32, the electron wave function can be expressed as a function ψ (r). Here, r is the distance from the origin. The intensity of the contact hyperfine interaction energy between the donor nucleus and the electron is r = 0
Electronic existence probability in | ψ (0) | proportional to 2. Therefore, to increase the contact hyperfine structure interaction energy, the electron existence probability | ψ (0) | 2 must be increased.
【0040】バルクのシリコン単結晶中においては、室
温での電子は自由電子であり、存在確率|ψ(0)|2は事実
上0である。この場合、図8に示す従来の固体素子のご
とく素子全体を極めて低い温度に保持すれば、電子をド
ナー原子核に束縛することができ、十分に大きな存在確
率|ψ(0)|2を得ることができる。典型的には、絶対温度
でT=100mK程度に保持する。この温度において
は、電子は最低エネルギー準位(s状態)に束縛されてい
る。ところで、この束縛力は弱く、第1励起準位への励
起エネルギーは約15meVであり、温度に換算すると
174K程度である。In a bulk silicon single crystal, electrons at room temperature are free electrons, and the existence probability | ψ (0) | 2 is practically zero. In this case, if the entire device is kept at an extremely low temperature as in the conventional solid-state device shown in FIG. 8, electrons can be bound to donor nuclei, and a sufficiently large existence probability | ψ (0) | 2 can be obtained. Can be. Typically, T is kept at about 100 mK in absolute temperature. At this temperature, the electrons are bound to the lowest energy level (s state). By the way, this binding force is weak, and the excitation energy to the first excitation level is about 15 meV, which is about 174 K in terms of temperature.
【0041】本実施の形態においては、その構造上、電
子はシリコン単結晶微粒子24の内部に閉じ込められて
いる。そのことによって、素子全体を極低温に保持しな
くとも、電子はシリコン単結晶微粒子24が形成するポ
テンシャル井戸によって束縛されている。半径aの微粒
子中に束縛された電子の波動関数は、半径aが十分小さ
いために量子サイズ効果が生ずる場合には、基底状態
(s状態)の波動関数は ψ(r)=Nj0(r/a) …(1) で表される。ここで、j0は、0次の球ベッセル関数 j0(x)=sin(x)(1/x) …(2) であり、x=0に極大を有する。結局、r=0における
電子の存在確率は|ψ(0)|2∝a-3となるので、本実施の
形態においては、微粒子の半径aを十分小さくすること
によって存在確率|ψ(0)|2を大きくできるのである。In the present embodiment, due to its structure, electrons are confined inside silicon single crystal fine particles 24. As a result, the electrons are bound by the potential well formed by the silicon single crystal fine particles 24 without keeping the entire device at an extremely low temperature. The wave function of an electron bound in a particle having a radius a becomes the ground state when the quantum size effect occurs because the radius a is sufficiently small.
The wave function in the (s state) is represented by ψ (r) = Nj 0 (r / a) (1). Here, j 0 is a zero-order spherical Bessel function j 0 (x) = sin (x) (1 / x) (2), and has a maximum at x = 0. As a result, the existence probability of the electron at r = 0 is | ψ (0) | 2 ∝a −3. Therefore, in the present embodiment, the existence probability | ψ (0) is obtained by sufficiently reducing the radius a of the fine particles. | 2 can be increased.
【0042】また、上記s状態における第1励起準位と
基底準位とのエネルギー差ΔEは、典型的な素子寸法と
して半径5nmの場合にΔE=130meV程度であり、
絶対温度に換算すると1508Kとなる。すなわち、微
粒子半径aを十分小さくすることによって電子の束縛力
を強くできるのである。但し、質量は、電子の静止質量
をmeo,横質量をmt,有効質量をmeffとして、m=(m
eff・mt 2)1/3=0.3216meoを用い、r=aでのポ
テンシャル障壁の深さとしてV0=3.15eVを用いて
シュレーディンガーの方程式の動径方程式から解析的に
求めた。The energy difference ΔE between the first excitation level and the ground level in the s state is about 130 meV when the radius is 5 nm as a typical element size.
Converted to absolute temperature, it becomes 1508K. That is, the binding force of electrons can be increased by sufficiently reducing the radius a of the fine particles. Here, the mass is m = (m where m eo is the rest mass of the electron, m t is the transverse mass, and m eff is the effective mass.
eff · m t 2) using a 1/3 = 0.3216m eo, analytically determined from the radius vector equation of equation Schrodinger with V 0 = 3.15 eV as depth of the potential barrier at r = a Was.
【0043】本実施の形態における量子演算素子は、こ
のようなコンタクト超微細構造相互作用を呈するシリコ
ン単結晶微粒子24〜27でなるセルを併設して構成さ
れている。したがって、個々のセルにおいて安定的にコ
ンタクト超微細構造相互作用を生じさせることができる
のである。The quantum operation device according to the present embodiment is constituted by providing cells including silicon single crystal fine particles 24 to 27 exhibiting such contact ultrafine structure interaction. Therefore, the contact ultrafine structure interaction can be stably generated in each cell.
【0044】ここで、本実施の形態における量子演算素
子は、夫々のシリコン単結晶微粒子24〜27に「0,
1」の情報をリン原子核のスピン量子数として保持する
メモリとして機能する。そして、例えばシリコン単結晶
微粒子24に保持されている情報を読み出す場合には、
金属電極29〜31に電位を与えて、図9に例示するよ
うに、シリコン単結晶微粒子25〜27中の電子雲を金
属電極29〜31側に引き寄せておく。そして、その状
態で上記共鳴周波数を測定することによって、シリコン
単結晶微粒子24単独で保持情報を読み出すことができ
るのである。Here, the quantum operation device according to the present embodiment is arranged such that “0,
It functions as a memory that holds the information of "1" as the spin quantum number of the phosphorus nucleus. Then, for example, when reading information held in the silicon single crystal fine particles 24,
By applying a potential to the metal electrodes 29 to 31, the electron clouds in the silicon single crystal fine particles 25 to 27 are drawn toward the metal electrodes 29 to 31 as illustrated in FIG. Then, by measuring the resonance frequency in that state, the retained information can be read out by the silicon single crystal fine particles 24 alone.
【0045】上述のように、本実施の形態における量子
演算素子においては、シリコン基板21上に酸化シリコ
ン膜22を介してシリコン単結晶微粒子24〜27を略
等間隔に配列している。そして、シリコン単結晶微粒子
24〜27の中にはドナー原子としてリン原子32〜3
5が含まれており、夫々のリン原子32〜35の電子雲
は各シリコン単結晶微粒子24〜27内全体に広がって
いる。したがって、各シリコン単結晶微粒子24〜27
半径を5nm程度に小さくすることによって、コンタクト
超微細構造相互作用によって、上記s状態における第1
励起準位と基底準位とのエネルギー差ΔEをΔE=13
0meV程度にでき、バルクのシリコン単結晶中におけ
る場合よりも電子を安定的に基底準位状態に留めておく
ことができるのである。As described above, in the quantum operation device according to the present embodiment, silicon single crystal fine particles 24 to 27 are arranged on silicon substrate 21 via silicon oxide film 22 at substantially equal intervals. The silicon single crystal fine particles 24 to 27 include phosphorus atoms 32 to 3 as donor atoms.
5, and the electron clouds of the respective phosphorus atoms 32 to 35 are spread throughout the respective silicon single crystal fine particles 24 to 27. Therefore, each silicon single crystal fine particle 24 to 27
By reducing the radius to about 5 nm, the contact ultrafine structure interaction causes the first
The energy difference ΔE between the excitation level and the ground level is ΔE = 13
It can be set to about 0 meV, and the electrons can be more stably kept at the ground level state than in a bulk silicon single crystal.
【0046】すなわち、本実施の形態によれば、極低温
状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束縛す
ることができ、実用上問題なく使用できるのである。That is, according to the present embodiment, electrons can be bound to the vicinity of the donor nucleus without being brought to a very low temperature state, and can be used without practical problems.
【0047】また、本実施の形態における量子演算素子
は、上記シリコン単結晶微粒子24〜27の夫々が量子
演算素子のセルを構成している。そして、各セルの位置
は機械的形状によって決まる。したがって、従来のフォ
トリソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、金属電極
28〜31の夫々を各ドナー原子32〜35上に容易に
形成することができるのである。In the quantum operation device according to the present embodiment, each of the silicon single crystal fine particles 24 to 27 constitutes a cell of the quantum operation device. The position of each cell is determined by the mechanical shape. Therefore, each of the metal electrodes 28 to 31 can be easily formed on each of the donor atoms 32 to 35 by using a conventional photolithography technique or a self-alignment technique.
【0048】<第2実施の形態>図2は、本実施の形態
の量子演算素子における断面模式図である。シリコン基
板41の表面に形成された第1酸化シリコン膜42上
に、シリコン単結晶微粒子列44が形成されている。こ
のシリコン単結晶微粒子列44は、第1実施の形態と同
様にして複数個のシリコン単結晶微粒子を略等間隔に配
列して成長させる際に、個々のシリコン単結晶微粒子が
互いに接触する程度まで成長させることによって形成す
る。また、第1酸化シリコン膜42上には、シリコン単
結晶微粒子列44を挟んで第2酸化シリコン膜43が形
成され、この第2酸化シリコン膜43上には、シリコン
単結晶微粒子列44の位置に対応して金属電極膜45が
形成されている。<Second Embodiment> FIG. 2 is a schematic sectional view of a quantum operation device according to the present embodiment. On a first silicon oxide film 42 formed on the surface of a silicon substrate 41, a row of silicon single crystal fine particles 44 is formed. This row of silicon single crystal fine particles 44 is used to grow the plurality of silicon single crystal fine particles at substantially equal intervals in the same manner as in the first embodiment, so that the individual silicon single crystal fine particles contact each other. It is formed by growing. A second silicon oxide film 43 is formed on the first silicon oxide film 42 with a silicon single crystal fine particle row 44 interposed therebetween, and the position of the silicon single crystal fine particle row 44 is formed on the second silicon oxide film 43. A metal electrode film 45 is formed corresponding to.
【0049】そして、上記シリコン単結晶微粒子列44
を構成する個々のシリコン単結晶微粒子の中には、ドナ
ー原子としてリン原子46〜50が含まれている。本量
子演算素子の場合は、シリコン単結晶微粒子の半径を5
nm程度に小さくすることによって、金属電極膜45に電
位を与えない状態では、図2(b)に示すように、夫々の
リン原子46〜50の電子雲は、シリコン単結晶微粒子
列44内全体に広がっている。The silicon single crystal fine particle row 44
In the individual silicon single crystal fine particles constituting the above, phosphorus atoms 46 to 50 are contained as donor atoms. In the case of this quantum operation device, the radius of the silicon single crystal fine particles is set to 5
When the potential is not applied to the metal electrode film 45 by reducing the diameter to about nm, as shown in FIG. 2B, the electron clouds of the phosphorus atoms 46 to 50 Has spread.
【0050】図3は、図2における上記シリコン単結晶
微粒子列44の部分だけを示している。図3(a)は、金
属電極膜45に電位を与えた場合の電子雲の状態を示し
ている。また、図3(b)は、金属電極膜45に電位を与
えない場合(図2(b)に相当)の電子雲の状態を示してい
る。FIG. 3 shows only the portion of the silicon single crystal fine particle row 44 in FIG. FIG. 3A shows a state of an electron cloud when a potential is applied to the metal electrode film 45. FIG. 3B shows the state of an electron cloud when no potential is applied to the metal electrode film 45 (corresponding to FIG. 2B).
【0051】図3(a)に示すように、上記金属電極膜4
5に電位を与えた場合には、電子雲51は金属電極膜4
5側に引かれて、シリコン単結晶微粒子列44を構成す
る各シリコン単結晶微粒子の境界部分の凸部44aで電
子雲51が分離される。その場合、金属電極膜45は、
シリコン単結晶微粒子列44を構成する全シリコン単結
晶微粒子上に均等に形成されている。したがって、電子
雲51は全シリコン単結晶微粒子の個所に均等に分配さ
れることになる。これに対して、図3(b)に示すよう
に、上記金属電極膜45に電位を与えない場合には、電
子雲52は、シリコン単結晶微粒子列44内全体に広が
っている。As shown in FIG. 3A, the metal electrode film 4
5, when the potential is applied to the metal electrode film 4,
The electron cloud 51 is separated by the convex portion 44 a at the boundary between the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row 44. In that case, the metal electrode film 45
The silicon single crystal fine particle rows 44 are uniformly formed on all the silicon single crystal fine particles. Therefore, the electron cloud 51 is evenly distributed to the locations of all the silicon single crystal fine particles. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when no potential is applied to the metal electrode film 45, the electron cloud 52 spreads throughout the silicon single crystal fine particle row 44.
【0052】そこで、上記金属電極膜45を、第1実施
の形態のごとく、上記シリコン単結晶微粒子列44を構
成する各シリコン単結晶微粒子に対応して複数形成すれ
ば、夫々の金属電極の電位を独立して操作することによ
って、シリコン単結晶微粒子列44を構成して隣り合っ
ているシリコン単結晶微粒子中の原子核スピン間での交
換相互作用の大きさを調整することができる。すなわ
ち、例えば、ドナー原子(リン原子)46の原子核のスピ
ン状態を隣り合ったドナー原子47の原子核へと伝達す
ることができる。したがって、適切な電位の操作手順を
与えることによって、所望の演算操作を行うことができ
るのである。Therefore, if a plurality of the metal electrode films 45 are formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row 44 as in the first embodiment, the potential of each metal electrode is increased. Can be independently operated to adjust the magnitude of the exchange interaction between the nuclear spins in the adjacent silicon single crystal fine particles by forming the silicon single crystal fine particle row 44. That is, for example, the spin state of the nucleus of the donor atom (phosphorus atom) 46 can be transmitted to the nucleus of the adjacent donor atom 47. Therefore, a desired calculation operation can be performed by giving an appropriate potential operation procedure.
【0053】尚、その場合に、制御電極としては図8に
示す従来のAゲート1に相当する夫々の金属電極のみで
事足りる。したがって、従来のJゲート2に相当する制
御電極は不要になる。In this case, it is sufficient to use only metal electrodes corresponding to the conventional A gate 1 shown in FIG. 8 as control electrodes. Therefore, a control electrode corresponding to the conventional J gate 2 becomes unnecessary.
【0054】ところで、図2に示す量子演算素子におい
ては、上記金属電極膜45を、シリコン単結晶微粒子列
44を構成する全シリコン単結晶微粒子上に均等に形成
している。しかしながら、この発明においては、金属電
極膜とシリコン単結晶微粒子列との位置関係は図2に示
すような位置関係にある必要はなく、図4のような位置
関係にあっても特に支障はない。その場合には、シリコ
ン単結晶微粒子の成長時に、各シリコン単結晶微粒子同
士が十分に接触するような成長条件を使用することがで
きる。尚、61はシリコン基板、62,63は酸化シリ
コン膜、64はシリコン単結晶微粒子列、65は金属電
極膜、66はドナー原子(リン原子)である。In the quantum operation device shown in FIG. 2, the metal electrode film 45 is uniformly formed on all the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row 44. However, in the present invention, the positional relationship between the metal electrode film and the row of silicon single crystal fine particles does not need to be in the positional relationship as shown in FIG. 2, and there is no particular problem even in the positional relationship as in FIG. . In this case, it is possible to use a growth condition under which the silicon single crystal fine particles are sufficiently in contact with each other during the growth of the silicon single crystal fine particles. Incidentally, 61 is a silicon substrate, 62 and 63 are silicon oxide films, 64 is a row of silicon single crystal fine particles, 65 is a metal electrode film, and 66 is a donor atom (phosphorus atom).
【0055】また、図5に示すように、金属電極膜71
をシリコン単結晶微粒子列72を部分的に覆うように形
成してもよい。その場合には、シリコン単結晶微粒子の
成長時に、シリコン単結晶微粒子の成長核の数が多い成
長条件を使用することができる。また、図6に示すよう
に、1つの金属電極膜75を複数のシリコン単結晶微粒
子列76,77の全体を覆うように形成してもよい。そ
の場合には、シリコン単結晶微粒子の成長時に、シリコ
ン単結晶微粒子の成長核の数が少ない成長条件を使用す
ることができる。Further, as shown in FIG.
May be formed so as to partially cover the silicon single crystal fine particle row 72. In this case, when growing the silicon single crystal fine particles, it is possible to use a growth condition in which the number of growth nuclei of the silicon single crystal fine particles is large. Further, as shown in FIG. 6, one metal electrode film 75 may be formed so as to cover the entire plurality of silicon single crystal fine particle rows 76, 77. In this case, when growing the silicon single crystal fine particles, it is possible to use a growth condition in which the number of growth nuclei of the silicon single crystal fine particles is small.
【0056】尚、上記第1実施の形態および第2実施の
形態において、各シリコン単結晶微粒子の直径を10nm
以下に形成した場合には、不純物原子であるリン原子を
適切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子としてのリ
ン原子は、夫々のシリコン単結晶微粒子の中に略1個だ
け含まれていると見なすことができる。したがって、そ
の場合には1個の原子核スピンを独立して操作すること
ができ、量子力学的重ね合わせ状態を利用することがで
きる。In the first and second embodiments, the diameter of each silicon single crystal fine particle is 10 nm.
In the case of forming below, if phosphorus atoms as impurity atoms are mixed at an appropriate low concentration, approximately one phosphorus atom as the donor atom is contained in each silicon single crystal fine particle. Can be considered. Therefore, in that case, one nuclear spin can be independently manipulated, and a quantum mechanical superposition state can be used.
【0057】これに対して、各シリコン単結晶微粒子の
直径を10nmよりも大きく形成した場合には、夫々のシ
リコン単結晶微粒子中に略1個だけのリン原子が存在す
る程度にするには、不純物原子であるリン原子を極めて
低い濃度で混入しなければならず、濃度制御が困難とな
る。したがって、1個のシリコン単結晶微粒子の中に複
数個のドナー原子核が存在することになり、平均値とし
ての操作を行うことになる。On the other hand, when the diameter of each silicon single crystal fine particle is formed to be larger than 10 nm, it is necessary to make the silicon single crystal fine particles contain only one phosphorus atom. Phosphorus atoms, which are impurity atoms, must be mixed at an extremely low concentration, making concentration control difficult. Therefore, a plurality of donor nuclei exist in one silicon single crystal fine particle, and an operation as an average value is performed.
【0058】<第3実施の形態>図7は、本実施の形態
における俯瞰図である。第1,第2実施の形態における
量子演算素子は、コンタクト超微細相互作用を利用して
原子核スビンの操作を行う場合には、素子全体に静磁場
を与え続ける必要がある。<Third Embodiment> FIG. 7 is a bird's-eye view in the present embodiment. In the quantum operation device according to the first and second embodiments, when operating the nuclear spin using the contact hyperfine interaction, it is necessary to continuously apply a static magnetic field to the entire device.
【0059】そこで、本実施の形態においては、第1,
第2実施の形態のごとく通常の集積回路技術を用いて量
子演算素子が形成された集積回路チップ81を、磁性体
チップ82,83で挾んで接着するのである。こうする
ことによって、集積回路チップ81の中に作り込まれた
量子演算素子に、安定的に静磁場を与えることができる
のである。Therefore, in the present embodiment, the first,
As in the second embodiment, an integrated circuit chip 81 on which a quantum operation element is formed using a normal integrated circuit technique is sandwiched between magnetic chips 82 and 83 and bonded. By doing so, a static magnetic field can be stably applied to the quantum operation element built in the integrated circuit chip 81.
【0060】また、上記第1,第2実施の形態における
量子演算素子が形成された集積回路チップのみが回路基
盤に載置されている場合には、当該回路基盤全体を磁性
体で挟んで接着してもよい。In the case where only the integrated circuit chip on which the quantum operation device according to the first and second embodiments is formed is mounted on the circuit board, the entire circuit board is bonded with a magnetic material therebetween. May be.
【0061】[0061]
【発明の効果】以上より明らかなように、第1の発明の
量子演算素子は、基板上に形成された第1絶縁膜上にシ
リコン単結晶微粒子を配置し、さらに上記シリコン単結
晶微粒子を挟んで第2絶縁膜を形成し、この第2絶縁膜
上における少なくとも上記シリコン単結晶微粒子の位置
に金属電極を形成し、上記シリコン単結晶微粒子の中に
不純物としてリン原子を含んでいるので、ドナー原子と
してのリン電子は上記シリコン単結晶微粒子が形成する
ポテンシャル井戸によって束縛されている。したがっ
て、極低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近
傍に束縛することができ、実用上問題なく使用できる。As is clear from the above, in the quantum operation device of the first invention, silicon single crystal fine particles are arranged on a first insulating film formed on a substrate, and the silicon single crystal fine particles are sandwiched between the silicon single crystal fine particles. A metal electrode is formed at least at the position of the silicon single crystal fine particles on the second insulating film, and the silicon single crystal fine particles contain a phosphorus atom as an impurity. Phosphorus electrons as atoms are bound by potential wells formed by the silicon single crystal fine particles. Therefore, the electrons can be bound to the vicinity of the donor nucleus without being brought to a very low temperature state, and can be used without practical problems.
【0062】さらに、上記シリコン単結晶微粒子が本量
子演算素子のセルを構成しており、上記セルの位置は機
械的形状によって決まる。したがって、従来のフォトリ
ソグラフィ技術や自己整合技術を用いて、上記金属電極
を各ドナー原子上に容易に且つ正確に形成することがで
きる。延いては、本量子演算素子を容易に形成できるの
である。Further, the silicon single crystal fine particles constitute a cell of the present quantum operation device, and the position of the cell is determined by a mechanical shape. Therefore, the metal electrode can be easily and accurately formed on each donor atom by using a conventional photolithography technique or a self-alignment technique. As a result, the quantum operation device can be easily formed.
【0063】さらに、上記金属電極に電位を与えれば、
上記シリコン単結晶微粒子中のリン原子の電子雲を上記
金属電極側に引き寄せておくことができる。したがっ
て、上記金属電極に電位を与えることによって、上記リ
ン原子核の共鳴周波数を変調でき、所望の位置にあるセ
ルに対して論理操作や読み出し,書き込み操作を選択的
に実行できるのである。Further, if a potential is applied to the metal electrode,
The electron cloud of the phosphorus atoms in the silicon single crystal fine particles can be drawn to the metal electrode side. Therefore, by applying a potential to the metal electrode, the resonance frequency of the phosphorus nucleus can be modulated, and a logical operation, a read operation, and a write operation can be selectively performed on a cell at a desired position.
【0064】また、第2の発明の量子演算素子は、基板
上に形成された第1絶縁膜上に、複数のシリコン単結晶
微粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列
を配置し、さらに上記シリコン単結晶微粒子列を挟んで
第2絶縁膜を形成し、この第2絶縁膜上における少なく
とも上記シリコン単結晶微粒子列の位置に金属膜を形成
し、上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物としてリ
ン原子を含んでいるので、請求項1の場合と同様に、極
低温状態にすることなく電子をドナー原子核の近傍に束
縛でき、実用上問題なく使用できる。また、上記シリコ
ン単結晶微粒子で成る各セルの位置は機械的形状によっ
て決まるので、従来のフォトリソグラフィ技術や自己整
合技術を用いて、上記金属膜を各ドナー原子上に容易に
形成することができる。延いては、本量子演算素子を容
易に形成できるのである。Further, in the quantum operation device according to the second aspect of the present invention, a row of silicon single crystal fine particles in which a plurality of silicon single crystal fine particles are connected to each other is arranged on a first insulating film formed on a substrate. A second insulating film is formed with the silicon single crystal fine particle row interposed therebetween, and a metal film is formed on at least the position of the silicon single crystal fine particle row on the second insulating film. As in the case of the first aspect, electrons can be bound to the vicinity of the donor nucleus without being brought to an extremely low temperature state, and can be used without practical problems. Further, since the position of each cell composed of the silicon single crystal fine particles is determined by the mechanical shape, the metal film can be easily formed on each donor atom by using a conventional photolithography technique or a self-alignment technique. . As a result, the quantum operation device can be easily formed.
【0065】さらに、上記金属膜に電位を与えた場合に
は、リンの電子雲は上記金属膜側に引き寄せられて上記
シリコン単結晶微粒子列を構成する各シリコン単結晶微
粒子の夫々に分離される一方、上記金属膜に電位を与え
ない場合には、リンの電子雲は上記シリコン単結晶微粒
子列全体に広がるので、上記金属膜の電位を制御するこ
とによって、複数のリン原子間での電子を媒体とした原
子核スピンの交換を可能にできる。Further, when a potential is applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus is attracted to the metal film side and separated into each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row. On the other hand, when the potential is not applied to the metal film, the electron cloud of phosphorus spreads over the entire row of silicon single crystal fine particles. By controlling the potential of the metal film, electrons between a plurality of phosphorus atoms are removed. It is possible to exchange nuclear spins as a medium.
【0066】また、上記第1あるいは第2の発明の量子
演算素子は、上記シリコン単結晶微粒子を、同位体28S
iと同位体30Siとのシリコン原子で構成すれば、上記シ
リコン単結晶微粒子には、原子核スピン量子数が1/2
の同位体29Siは含まれていない。したがって、自然同
位体は31Pが100%であって原子核スピン量子数は1
/2であるリン原子の原子核スピンの違いを、容易に検
知することができる。Further, in the quantum operation device according to the first or second aspect of the present invention, the silicon single crystal fine particles may be treated with an isotope 28 S
If it is composed of silicon atoms of i and 30 Si isotope, the silicon single crystal fine particles have a nuclear spin quantum number of 1/2.
Does not include the isotope 29 Si. Therefore, the natural isotope has 31 P of 100% and a nuclear spin quantum number of 1
The difference in the nuclear spin of the phosphorus atom of / 2 can be easily detected.
【0067】また、上記第1あるいは第2の発明の量子
演算素子は、上記各シリコン単結晶微粒子の直径を10
nm以下にした場合には、不純物原子であるリン原子を適
切な低濃度で混入すれば、上記ドナー原子は上記各シリ
コン単結晶微粒子の中に略1個だけ含まれていると見な
すことができる。したがって、1個の原子核スピンを独
立して操作することができ、量子力学的重ね合わせ状態
を利用することができるのである。Further, in the quantum operation device according to the first or second aspect, the diameter of each of the silicon single crystal fine particles may be 10
In the case where the diameter is set to be equal to or smaller than nm, it is possible to consider that only one donor atom is contained in each of the silicon single crystal fine particles if phosphorus atoms as impurity atoms are mixed at an appropriate low concentration. . Therefore, one nuclear spin can be independently manipulated, and the quantum mechanical superposition state can be used.
【0068】また、上記第2の発明の量子演算素子は、
上記金属膜を、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する
各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成すれ
ば、上記複数の金属膜の電位を操作することによって、
あるリン原子核のスピン状態を次々に隣り合ったリン原
子核へ伝達することができる。したがって、適切な操作
手順を与えることによって、所望の演算操作を行うこと
ができる。The quantum operation device according to the second aspect of the present invention comprises:
If a plurality of the metal films are formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row, by controlling the potential of the plurality of metal films,
The spin state of a certain phosphorus nucleus can be transferred one after another to the adjacent phosphorus nuclei. Therefore, a desired operation can be performed by giving an appropriate operation procedure.
【0069】また、第3の発明の集積回路は、上記第1
あるいは第2の発明の量子演算素子が搭載された集積回
路チップを、磁性体チップで挟んでいるので、特別な磁
場印加手段を設けることなく、また電力を要さずに、上
記磁性体チップによって、上記集積回路チップ上の量子
演算素子全体に静磁場を安定して与え続けることができ
る。すなわち、この発明によれば、本集積回路単体で、
コンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操
作を行うことが可能である。Further, the integrated circuit according to the third invention is characterized in that
Alternatively, since the integrated circuit chip on which the quantum operation element of the second invention is mounted is sandwiched between magnetic chips, the magnetic chip can be used without providing special magnetic field applying means and without requiring electric power. The static magnetic field can be stably applied to the entire quantum operation element on the integrated circuit chip. That is, according to the present invention, the present integrated circuit alone
It is possible to manipulate nuclear spins using contact hyperfine interaction.
【0070】また、第4の発明の集積回路装置は、上記
第1あるいは第2の発明の量子演算素子が形成された集
積回路チップが搭載された回路基盤を、磁性体で挟んで
いるので、特別な磁場印加手段を設けることなく、上記
磁性体によって、上記集積回路チップ上の量子演算素子
全体に静磁場を安定して与え続けることができる。した
がって、この発明によれば、本集積回路装置単体で、コ
ンタクト超微細相互作用を利用して原子核スピンの操作
を行うことが可能である。In the integrated circuit device according to the fourth aspect of the present invention, the circuit board on which the integrated circuit chip on which the quantum operation element according to the first or second aspect of the invention is formed is sandwiched by magnetic materials. The static magnetic field can be stably applied to the entire quantum operation element on the integrated circuit chip by the magnetic material without providing a special magnetic field applying unit. Therefore, according to the present invention, it is possible to operate nuclear spins by utilizing the contact hyperfine interaction alone with the present integrated circuit device.
【図1】 この発明の量子演算素子における断面模式図
である。FIG. 1 is a schematic sectional view of a quantum operation device of the present invention.
【図2】 図1とは異なる量子演算素子の断面模式図で
ある。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a quantum operation device different from FIG.
【図3】 図2における電子雲の状態変化を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a state change of an electron cloud in FIG. 2;
【図4】 図2とは異なる金属電極膜とシリコン単結晶
微粒子列との位置関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film different from FIG. 2 and a row of silicon single crystal fine particles.
【図5】 図2および図4とは異なる金属電極膜とシリ
コン単結晶微粒子列との位置関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film and a row of silicon single crystal fine particles different from FIGS. 2 and 4;
【図6】 図2,図4および図5とは異なる金属電極膜
とシリコン単結晶微粒子列との位置関係を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing a positional relationship between a metal electrode film and a row of silicon single crystal fine particles different from those of FIGS. 2, 4 and 5;
【図7】 図1〜図6に示す量子演算素子が形成された
集積回路チップを磁性体チップで挾んで接着した回路チ
ップを示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a circuit chip in which an integrated circuit chip on which the quantum operation device shown in FIGS.
【図8】 従来の電子‐核二重共鳴現象を利用した固体
素子の構造を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the structure of a conventional solid-state device utilizing the electron-nuclear double resonance phenomenon.
【図9】 図8におけるAゲートに電位を与え、さらに
一方のJゲートに電位を与えた場合の電子雲の状態を示
す図である。9 is a diagram showing a state of an electron cloud when a potential is applied to the A gate and a potential is further applied to one J gate in FIG. 8;
21,41,61…シリコン基板、 22,23,42,43,62,63…酸化シリコン膜、 24〜27…シリコン単結晶微粒子、 28〜31…金属電極、 32〜35,46〜50,66…ドナー原子(リン原子)、 44,64,72,76,77…シリコン単結晶微粒子列、 45,65,71,75…金属電極膜、 51,52…電子雲、 81…集積回路チップ、 82,83…磁性体チップ。 21, 41, 61: silicon substrate, 22, 23, 42, 43, 62, 63: silicon oxide film, 24 to 27: silicon single crystal fine particles, 28 to 31: metal electrode, 32 to 35, 46 to 50, 66 ... donor atoms (phosphorus atoms), 44, 64, 72, 76, 77 ... silicon single crystal fine particle array, 45, 65, 71, 75 ... metal electrode film, 51, 52 ... electron cloud, 81 ... integrated circuit chip, 82 , 83 ... Magnetic chip.
Claims (10)
と、 上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子を挟ん
で形成された第2絶縁膜と、 上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結
晶微粒子の位置に形成された金属電極を備えて、 上記シリコン単結晶微粒子の中に不純物としてリン原子
を含んでいることを特徴とする量子演算素子。A first insulating film formed on a substrate; silicon single crystal fine particles disposed on the first insulating film; and a silicon single crystal fine particle formed on the first insulating film with the silicon single crystal fine particles interposed therebetween. And a metal electrode formed at least at the position of the silicon single crystal fine particles on the second insulating film, wherein the silicon single crystal fine particles contain a phosphorus atom as an impurity. The quantum operation element characterized by the above-mentioned.
粒子が互いに接続されてなるシリコン単結晶微粒子列
と、 上記第1絶縁膜上に、上記シリコン単結晶微粒子列を挟
んで形成された第2絶縁膜と、 上記第2絶縁膜上における少なくとも上記シリコン単結
晶微粒子列の位置に形成された金属膜を備えて、 上記各シリコン単結晶微粒子の中に不純物としてリン原
子を含んでいることを特徴とする量子演算素子。A first insulating film formed on the substrate; a row of silicon single crystal fine particles formed by connecting a plurality of silicon single crystal fine particles arranged on the first insulating film to each other; A second insulating film formed on the film with the silicon single crystal fine particle row interposed therebetween, and a metal film formed at least at the position of the silicon single crystal fine particle row on the second insulating film; A quantum operation device comprising silicon single crystal fine particles containing phosphorus atoms as impurities.
演算素子において、 上記シリコン単結晶微粒子を構成しているシリコン原子
は、同位体28Siと同位体30Siとからなることを特徴と
する量子演算素子。3. The quantum operation device according to claim 1, wherein the silicon atoms constituting the silicon single crystal fine particles are composed of an isotope 28 Si and an isotope 30 Si. Quantum operation device.
て、 上記各シリコン単結晶微粒子の直径は、10nm以下であ
ることを特徴とする量子演算素子。4. The quantum operation device according to claim 3, wherein each silicon single crystal fine particle has a diameter of 10 nm or less.
て、 上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列を構成する
各シリコン単結晶微粒子の夫々に対応して複数形成され
ていることを特徴とする量子演算素子。5. The quantum operation device according to claim 2, wherein a plurality of the metal films are formed corresponding to each of the silicon single crystal fine particles constituting the silicon single crystal fine particle row. Quantum operation device.
て、 上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の全体を覆
って形成されていることを特徴とする量子演算素子。6. The quantum operation device according to claim 2, wherein the metal film is formed so as to cover the entire row of the silicon single crystal fine particles.
て、 上記金属膜で覆われるシリコン単結晶微粒子列は複数で
あることを特徴とする量子演算素子。7. The quantum operation device according to claim 6, wherein a plurality of rows of silicon single crystal fine particles covered with the metal film are provided.
て、 上記金属膜は、上記シリコン単結晶微粒子列の一部を覆
って形成されていることを特徴とする量子演算素子。8. The quantum operation device according to claim 2, wherein the metal film is formed so as to cover a part of the silicon single crystal fine particle row.
載の量子演算素子が搭載された集積回路チップを、磁性
体チップで挟んで成ることを特徴とする集積回路。9. An integrated circuit, comprising an integrated circuit chip on which the quantum operation element according to claim 1 is mounted, sandwiched between magnetic chips.
記載の量子演算素子が形成された集積回路チップが搭載
された回路基盤を、磁性体で挟んで成ることを特徴とす
る集積回路装置。10. An integrated circuit comprising: a circuit board on which an integrated circuit chip on which the quantum operation device according to claim 1 is formed is mounted by a magnetic material. Circuit device.
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- 1999-08-06 JP JP22381299A patent/JP4445068B2/en not_active Expired - Fee Related
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