JP4961650B2 - 量子回路装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットを用いて演算を行う量子回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子コンピュータ及び量子回路は、ドイチュ（D.Deutsch）によって発明された（例えば、D.Deutsch, Proc. R. Soc. London, Ser. A 400 97 (1985); 425, 73 (1989)を参照）。その後、素因数分解や検索などに対する効率的な量子アルゴリズムの発見に触発されて多くの物理系が提案され、さらにその一部は、数キュビットの小規模な回路にすぎないが実際に動作が確かめられている。しかし、これらの系はデコヒーレンスやハードウェア量の増大等の制約によりせいぜい１０キュビット程度までしか集積化できないと考えられている。有用な計算をするためには数１００から１０００キュビットクラスのシステムが必要である。
【０００３】
また、量子コンピュータは決して単独で用いられることはなく、必ず古典コンピュータと緊密に結合されて初めて動作し、その能力を発揮する。これは、例えばショー（P.W.Shor）のアルゴリズムやエラー補正のプロトコルを考えれば明らかである（例えば、P.W.Shor, in Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, edited by Goldwasser (IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA, 1994) p.124を参照）。集積化及び古典コンピュータとのインターフェースを考慮すると、当然量子コンピュータも半導体ベースであることが望ましい。
【０００４】
そこで、カーン（B.E.Kane）は、バルク２８Ｓｉ中でドナーとなるＰ(隣)の核スピンをキュビットとする提案をしている（例えば、B.E.Kane, Nature (London) 393, 133 (1998)を参照）。このような周囲から孤立した核スピンは、コヒーレンスが非常に長い時間保たれることが知られている。しかしながら、この方式では高純度の同位体シリコン結晶の成長や単一不純物イオンの精密位置制御が要求される。より現実的なアプローチとして、半導体ナノ構造を用いることが考えられる。しかしながら、この場合にもゼロ次元構造以外では連続的な状態密度のために容易にエネルギー緩和を受けるため、デコヒーレンスの点で実現は難しい。幸い今日では様々な方法でゼロ次元構造、すなわち量子ドットを作成することが可能になっている。
【０００５】
このような背景において、バレンコ（A.Barenco）らは、量子ドットを用いたキュビットを提案している（例えば、A.Barenco, D.Deutsch, A.Ekert, and R.Jozsa, Phys.Rev.Lett. 74, 4083 (1995)を参照）。これは量子ドット内の量子準位をキュビットの２準位として用いるものである。外部からの電界によって誘起された隣接する２つの量子ドットの双極子モーメント同士のクーロン相互作用が２キュビット演算に利用される。実験的にも、量子ドットのコヒーレントな量子準位の観測や単一電子効果を利用した電子数の制御は可能になっている。しかしながら、一般に励起準位の電子は電磁場環境やフォノン環境と強く結合しており、デコヒーレンスが強い。
【０００６】
量子エラー補正と量子フォールト−トレランス（fault-torerance）理論の建設によって、ある程度のデコヒーレンスは許容できることが明らかになった（例えば、P.W.Shor, Phys.Rev. A 52, R2493 (1995)等を参照）。しかしながら、そのためにはデコヒーレンスはある一定以下でなければならない。Barencoの提案した方式の単純な量子ドット型キュビットでは、この基準をクリアすることは困難であった。
【０００７】
また、ロス（D.Loss）とディビンセンゾ（D.P.DiVincenzo）は、以上の問題を解決する手段として、量子ドット中の電子スピンを用いる方式を提案している（例えば、D.Loss and D.P.DiVincenzo, Phys.Rev. A 57, 120 (1998)を参照）。スピンは電荷に比べて環境との結合が弱いと期待されている。彼らは、通常用いられる制御ＮＯＴ演算の代わりに、結合量子ドットのスワップ演算を２キュビット演算に用いている。これは実質は２電子系の量子ビートであり、隣接する２つの量子ドットの間のバリアを上げ下げすることによりトンネルを可能とすることでビートのスイッチが入る。但し、彼らの方式では量子ドット間のバリアを上げ下げする手段に課題がある。外部磁場をスイッチする方法では動作速度に限界がでてくる。微小電極により電界を加えバリアのポテンシャルを制御する方法のための高度な加工技術が現在では成立していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、量子２準位系を計算基底とすることを特徴とする量子回路において、従来は量子準位または電子スピンを２準位系として利用する構成が示されてきた。しかしながら、前者では演算はレーザパルスを用いて比較的容易に行うことができる反面、準位間緩和によるデコヒーレンスが大きいという困難があった。一方、後者ではスピンのデコヒーレンスは小さいという長所がある反面、ゲート演算のコントロールに困難があった。後者について具体的に述べると、演算を精度良く行うためにはゲートを素早くオン／オフする必要があるが、磁場を使うため高速切り換えがきわめて困難であった。このように、量子演算を実行する量子回路装置は未だ帰結すべき種々の課題を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、比較的安定に動作させることができ、高速動作が可能な量子回路装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する波長の光を発する量子カスケードレーザであることを特徴とする量子回路装置によって達成される。
また、上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔とほぼ等しいバンドギャップを有する半導体を活性層とする狭バンドギャップ半導体レーザであることを特徴とする量子回路装置によっても達成される。
【００１１】
また、上記の量子回路装置において、前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有するようにしてもよい。
【００１２】
また、上記の量子回路装置において、前記第１の補助量子ドットよりもサイズが大きく、前記第１の補助量子ドットと結合して第５の非対称結合量子ドットを構成する観測量子ドットと、前記観測量子ドットに容量結合され、前記観測量子ドットの状態に基づいて前記第１の主量子ドットにおける分極を検出するＲＦ単一電子トランジスタとを更に有するようにしてもよい。
【００１５】
また、上記の量子回路装置において、前記レーザ素子が発するレーザ光の偏光面が、前記第１の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸並びに前記第２の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸に平行であるようにしてもよい。
【００１６】
また、上記の量子回路装置において、前記レーザ光の強度は、前記第１及び第２の非対称結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱いことが望ましい。
【００１７】
また、上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有する量子回路装置の量子演算方法であって、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットにそれぞれ１個の電子を閉じ込め、前記第１及び第２の演算量子ドットのそれぞれに電子が存在する励起状態で電子間に運動学的な交換相互作用を行わせることにより２ビット演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法によっても達成される。
【００１８】
また、上記の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有し、電子を前記第１の補助量子ドット又は前記第２の補助量子ドットに遷移させることにより、電子のスピンの向きを回転する１ビット演算を行うステップを含むようにしてもよい。
【００１９】
また、上記の量子演算方法において、前記量子回路装置は、準位間エネルギが互いに異なる前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの複数の組を有し、前記レーザ素子の発光波長を制御することにより、前記複数の組の中から電子を遷移する前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの組を選択するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２１】
図１は本実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図、図２は本実施形態による量子回路装置の原理及び動作を説明するエネルギバンド図、図３は本実施形態による量子回路装置に用いるレーザ光の照射条件を説明するエネルギバンド図、図４は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００２２】
はじめに、本実施形態による量子回路装置の構造について図１を用いて説明する。
【００２３】
半導体基板１上には、バリア層としての半導体層２が形成されている。半導体層２上には、互いに隔離して島状に設けられた量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成されている。量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、後述する所定の間隔でそれぞれが配置されている。量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成された半導体層２上には、バリア層としての半導体層４が形成されている。
【００２４】
量子ドット３ａ，３ｂ及び量子ドット３ｃ，３ｄは、それぞれが一つの演算セルを構成する。各演算セルは、サイズの比較的大きい主量子ドット（量子ドット３ａ又は３ｃ）と、サイズの比較的小さい従量子ドット（量子ドット３ｂ又は３ｄ）とを含む。一の演算セル内において、主量子ドットと従量子ドットとは十分近接して配置され、共通の量子状態を実現する。このように、各演算セルは、非対称結合量子ドットにより構成されている。なお、「結合量子ドット」とは、２つの量子ドットが近接配置されて結合し、共通の量子状態を有するものである。また、「非対称結合量子ドット」とは、結合した量子ドットのサイズが互いに異なる結合量子ドットである。
【００２５】
各演算セルは、従量子ドット（量子ドット３ｂと量子ドット３ｄ）が互いに隣接するように配置されている。このとき、隣接演算セルの従量子ドット間は、従量子ドット間で電子がトンネル可能な距離とされている。
【００２６】
このように、本実施形態による量子回路装置は、演算セルが非対称結合量子ドットにより構成されており、各演算セルが電子がトンネル可能な距離に配置されていることに主たる特徴がある。
【００２７】
次に、本実施形態による量子回路装置の原理及び動作について図２を用いて説明する。
【００２８】
複数の量子ドットを相互にトンネリング可能な範囲内に配置すると、共通の量子状態を実現することができる。すなわち、複数の量子ドットを含む系全体として、基底状態、励起状態を持つ。系内の量子ドットのサイズが異なるものは非対称結合量子ドットと呼ばれる。
【００２９】
図２（ａ）はエネルギバンド図であり、横方向が位置を表し、縦方向がエネルギを表す。非対称結合量子ドットＱＡは、サイズの比較的大きい主量子ドットＱＡ０と、サイズの比較的小さい従量子ドットＱＡ１とを含む。これら２つの量子ドットＱＡ０，ＱＡ１は十分近接して配置され、共通の量子状態を実現する。基底状態は、主量子ドットＱＡ０にほぼ局在した状態であり、励起状態は従量子ドットＱＡ１にほぼ局在した状態である。
【００３０】
ここで、「ほぼ局在」とは、量子演算を行う時間スケールで局在していると見なせる状態をいう。基底状態にあるときは電子は主量子ドットＱＡ０に存在すると考えることができ、励起状態にあるときは電子は従量子ドットＱＡ１に存在すると考えることができる。基底状態と励起状態とのエネルギ差に等しいエネルギ差を有し、遷移を起こすのに十分な強度、パルス長を有するπパルスを印加すると、基底状態の電子は励起状態へ、励起状態の電子は基底状態へとほぼ１００％遷移する。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、非対称結合量子ドットＱＡの近傍に、他の非対称結合量子ドットＱＢを配置する。このとき、非対称結合量子ドットＱＢの従量子ドットＱＢ１を非対称結合量子ドットＱＡの従量子ドットＱＡ１からトンネル可能な距離に配置する。非対称結合量子ドットＱＢの主量子ドットＱＢ０は、非対称結合量子ドットＱＡからより離れた側に配置する。
【００３２】
励起状態で、電子が従量子ドットＱＡ１，ＱＢ１に存在するときは、これらの従量子ドットはトンネル可能な距離にあるため、運動学的交換相互作用が可能である。基底状態で、電子が主量子ドットＱＡ０，ＱＢ０に存在するときは、バリア高が高くなり、電子間の距離が大きくなるので、波動関数の重なりはほとんどなく、両電子は互いに干渉せずにホールドないしスリープ状態となる。
【００３３】
すなわち、主量子ドット相互間の距離は十分離れ、バリア高は高く、従量子ドット間の距離は短く、バリア高は低く、トンネル可能な状態になる。電子が主量子ドットにあるときは互いに干渉が生ぜず、電子が従量子ドットに存在するときにのみ相互作用を生じさせ、演算を行うことができる。この観点より、以下従量子ドットＱＡ１，ＱＢ１を演算量子ドットと呼ぶ。
【００３４】
図２（ａ）は、非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢが共にそれぞれ１個の電子を有し、共に基底状態にある場合を示している。主量子ドットＱＡ０，ＱＢ０にある電子は互いに干渉しない。
【００３５】
この状態で、非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢにπパルスを照射する。πパルスのレーザビームを吸収した電子は、１００％励起状態に遷移する。
【００３６】
図２（ｂ）は、電子が共に励起状態に遷移した非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢの状態を示している。励起状態の電子の波動関数は、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１にほぼ局在する。電子のスピンは、基底状態から励起状態への遷移によって変化せず、同一状態を維持する。
【００３７】
励起状態では、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１がトンネリング可能な距離にあるため、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１の電子間で運動学的（スピン−スピン）交換相互作用が生じ、スピンが回転する。このスピンの回転を、演算として利用することができる。
【００３８】
電子スピンキュビットでは、例えば電子のトンネリングにより発生する運動学的交換相互作用
Ｈｓ＝Ｊ（Ｓ1・Ｓ2−１/４）＝（Ｊ／２）（Ｓ2−２）
を演算に用いる。ここで、Ｓ＝Ｓ1＋Ｓ2である。この相互作用は、スカラ積で表される等方的な相互作用である。
【００３９】
非等方的な相互作用として、ベクトル３重積や対称テンソルを挟んだ内積
Ｈｅ＝ｄ・（Ｓ1×Ｓ2）
Ｈｔ＝Ｓ1・Γ・Ｓ2
を用いることもできる。ここで、ｄは空間に固定されたベクトル、Γは対称テンソルである。これらの相互作用はスピン−軌道相互作用の強い材料、例えばバンドギャップの狭いＩｎＡｓなどの半導体を用いることにより実現することができる。
【００４０】
図２（ｂ）の励起状態にある非対称結合量子ドットＱＡ，ＱＢにπパルスを照射する。πパルスを吸収した電子は、１００％励起状態から基底状態へ遷移する。すなわち、図２（ｂ）の状態から図２（ａ）の状態に遷移する。
【００４１】
演算後、図２（ａ）に示す基底状態に遷移した電子は、相互間の影響（運動学的交換相互作用）が無くなり、同一状態を安定に保つことができる。
【００４２】
なお、従来のスピン量子ゲートでは、演算をしない時は２つの量子ドットの間のポテンシャルバリアは高く、電子はこれをトンネルすることができない。演算を行うには何らかの方法でバリアを下げてトンネルが可能になるようにし、それによって交換相互作用が可能となり、スワップ演算が行われる。バリアを下げるには２つの方法が考えられる。第１は、磁場を印加することにより量子ドット内の電子の波動関数を変化させ、バリアへの波動関数のしみ込みを大きくすることにより、結果としてトンネル確率を増大させる方法である。しかし、トンネル確率の有意な増大を起こすためには、量子ドット内に１磁束以上相当の強い磁場を加える必要がある。それだけでなく、特定の量子ドット対だけ選択的に演算させるためには、磁場は局所的でなければならない。さらに、演算が非断熱的に行われる必要があるため磁場の切り換えは十分素早くなくてはならない。但し、この３つの条件を同時に満たすこと原理的に困難である。第２、は量子ドット間に微小な電極を配置し、電界を加えるという方法である。しかしこの方法では非常に微細な電極を加工する製造技術が要求される。
【００４３】
一方、本発明による方式では、２キュビット量子演算は予備ドットの助けを借りて行われる。各セルはサイズの大きな主量子ドットとそれより小さな演算量子ドットにより構成される。キュビットはセル内に閉じ込められた一つの電子のスピンによって担われる。演算が行われない間は、両セルの各電子は主量子ドットに存在し、従って電子間の距離がおおきくエネルギー準位も低いため互いにトンネルすることはなく、交換相互作用も働かない。演算を行うには、まずレーザによるπパルスを両量子ドットに照射し、両電子を演算量子ドットに遷移させる。この状態では、電子は互いに接近し、わずかにトンネルすることが可能となる。従って交換相互作用が働き、スワップ演算が行われる。したがって、本発明による方式では、演算をスイッチするのにレーザパルスだけが必要であり、極めて容易である。さらにレーザ光は直径１μｍ程度のビームに絞れるため、特定のセル間の演算のみをスイッチできる。もし必要であればレーザスポットに入る範囲のセルだけ共鳴エネルギをずらして設計しておけばより高密度にセルを配置することができる。
【００４４】
上述のような電子の遷移を実現するためには、電子の遷移に用いるレーザ光の強度は、強すぎず且つ弱すぎない範囲に設定する必要がある。
【００４５】
図３（ａ），（ｂ）は、照射するレーザ光の強度が強すぎる場合の問題を示すエネルギバンド図である。図３（ｃ）は、照射するレーザ光の強度が弱すぎる場合の問題を示すエネルギバンド図である。なお、図３（ａ）では説明の便宜上、上向きスピンと下向きスピンとを異なるエネルギ準位に記載しており縮退が解けているようにみえるが、上向きスピンと下向きスピンとは同じエネルギ準位に位置しており縮退状態である。
【００４６】
レーザ照射により電子を隣接する量子ドットに遷移する場合、電子のスピンはそのままの向きを維持する必要がある（断熱遷移：図３（ａ）中、"allowed"と記載）。しかしながら、照射するレーザ強度が強すぎると、遷移する過程でスピンの向きが回転することがある（非断熱遷移：図３（ａ）中、"forbidden"と記載）。電子のスピンの向きが回転してしまうと、所定の情報を維持することができなくなる。また、照射するレーザ強度が強すぎる場合、図３（ｂ）に示すように、電子が励起準位に遷移（非断熱遷移：図３（ｂ）中、"Zener"と記載）してしまうこともある。したがって、照射するレーザ光の強度は、上述のような遷移過程が生じないエネルギ、例えば１００ｍＷ以下のエネルギに設定することが望ましい。
【００４７】
他方、隣接する演算ドットは弱く結合しているため、照射するレーザ強度が弱すぎると、図３（ｃ）に示すように、２つのサイトに２つの電子が存在する２電子準位に２電子状態で遷移（断熱遷移：図３（ｃ）中、"adiabatic"と記載）することがある。したがって、照射するレーザ光の強度は、上述のような遷移過程の生じないエネルギ、例えば１ｍＷ以上のエネルギに設定することが望ましい。
【００４８】
次に、本実施形態による量子回路装置の製造方法について図４を用いて説明する。
【００４９】
まず、半導体基板１上に、例えばＣＶＤ法により、バリア層となる半導体層２を成長する。
【００５０】
次いで、半導体層２上に、例えばＣＶＤ法により、形成する量子ドットに対応する位置に開口を有する酸化シリコン層などの絶縁層よりなるマスクＭ１を形成する（図４（ａ））。
【００５１】
次いで、例えば選択ＣＶＤ法により、マスクＭ１上には結晶せず、半導体層２上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を成長し、この半導体層よりなる量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成する。
【００５２】
次いで、例えばウェットエッチング法により、マスクＭ１をエッチング除去する（図４（ｂ））。
【００５３】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を例えばＣＶＤ法により全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成するようにしてもよい。
【００５４】
次いで、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成された半導体層２上に、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを覆うようにバリア層となる半導体層４を成長する（図４（ｃ））。
【００５５】
なお、量子ドット及びバリア層は、図２に示すようなエネルギ準位を画定できるのもであればよいが、良質な結晶を用いることが好ましく、この点から半導体結晶を用いることが望ましい。量子ドット／バリア層となる半導体材料の組み合わせとしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。これら材料系を用いる場合、基板としてはＧａＡｓ基板を適用することができる。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、サイズの大きい主量子ドットとサイズの小さい演算量子ドットとを含む非対称結合量子ドットにより演算セルを構成し、スリープ状態では交換相互作用の働かない主量子ドットの基底状態に電子をおき、演算を行うときには演算量子ドットの励起状態に電子を遷移し、隣接する演算量子ドット間における交換相互作用によって演算を行うので、比較的安定な動作が可能となる。また、主量子ドットと演算量子ドットとの間の電子の遷移はレーザ光の照射によって行うので、その構成もきわめて容易にすることができる。
【００５７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図５乃至図１６を用いて説明する。
【００５８】
図５は本実施形態による量子回路装置の構造を概略的に示す斜視図、図６は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図及び概略断面図、図７は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図、図８は本実施形態による量子回路装置におけるキュビットの状態の観察方法を説明する図、図９は本実施形態による量子回路装置における緩和によるノイズの除去方法を説明する図、図１０乃至図１２は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図、図１３乃至図１６は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図である。
【００５９】
はじめに、本実施形態による量子回路装置の構造について図５乃至図７を用いて説明する。
【００６０】
第１実施形態では、隣接して設けられた２つの非対称結合量子ドットにより２キュビット演算を行う量子回路装置を示した。しかしながら、量子回路が万能であるためには、２キュビット演算以外に１キュビットの任意ユニタリ変換が必要である。本実施形態では、１キュビットの任意ユニタリ変換が可能な量子回路装置を示す。
【００６１】
電子スピンキュビットでは、スピンの向きの任意回転がこれに対応する。スピンは磁気モーメントを伴う。したがって、一様磁場中で歳差運動を行う。磁場中に電子を配置することにより、ユニタリ変換である１キュビット演算を行うことができる。そこで、本実施形態による量子回路装置では、第１実施形態で説明した演算量子ドットの他に、主量子ドットと非対称結合量子ドットを形成する補助量子ドットを設けている。
【００６２】
図５は、本実施形態による量子回路装置の構成を概略的に示す斜視図である。図中横方向にｙ軸が配置され、縦方向にｚ軸が配置されている。ｘ軸はｙ軸及びｚ軸に直交している。演算セルＳが、ｘｙ平面内で正方格子状に配置されている。各演算セルＳは、その位置によりＳ（０，０）、Ｓ（０，１）のように表されている。各演算セルＳは、その中央に主量子ドットＱ０が配置され、ｘ軸方向に近接して演算量子ドットＱ６，Ｑ８が配置され、ｙ軸方向に近接して演算量子ドットＱ７，Ｑ９が配置されている。
【００６３】
また、主量子ドットＱ０の下方に近接して、ユニタリ変換を行うための補助量子ドットＱ３が配置され、上方に近接して、ユニタリ変換を行うための補助量子ドットＱ２が配置されている。任意の回転を実現するには、２つ以上の回転軸が必要である。補助量子ドットＱ２，Ｑ３は、異なる方向に向いた磁場中に配置され、合わせて任意の回転を実現する。
【００６４】
さらに、補助量子ドットＱ２の上方に、読み出し用量子ドットＱ５が配置されている。読み出し用量子ドットＱ５は、ユニタリ変換用補助量子ドットＱ２よりサイズが大きい。励起状態で補助量子ドットＱ２に存在する電子にπパルスを照射することにより、電子を読み出し用量子ドットＱ５に遷移させることができる。なお、読み出し用量子ドットＱ５は、他方の補助量子ドットＱ３の近傍に配置してもよい。
【００６５】
読み出し用量子ドットＱ５は、容量結合により単電子トランジスタＳＥＴに結合されている。すなわち、読み出し用量子ドットＱ５に電子が存在するときは、その電荷を単電子トランジスタＳＥＴにより検出することができる。
【００６６】
図５の構成によれば、任意の隣接する演算セルＳで演算を行い、演算結果を単電子トランジスタＳＥＴにより読み出すことができる。
【００６７】
次に、図５に示す構成を実現するための具体的な構造について図６及び図７を用いて説明する。なお、図６（ａ）は、各セルの量子ドットの配置と、永久磁石２４，２５の配置を主量子ドットを含む一平面上に射影して示した平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図、図７（ａ）は半導体層１１上における平面図、図７（ｂ）は半導体層１５上における平面図である。
【００６８】
半導体基板１上には、バリア層としての半導体層１１が形成されている。半導体層１１上には、複数の量子ドット１２と、η方向に延在する永久磁石２４とが形成されている。量子ドット１２が形成された半導体層１１上には、バリア層としての半導体層１３が形成されている。半導体層１３上には、複数の量子ドット１４が形成されている。量子ドット１４が形成された半導体層１３上には、バリア層としての半導体層１５が形成されている。半導体層１５上には、複数の量子ドット１６と、ξ方向に延在する永久磁石２５とが形成されている。量子ドット１６が形成された半導体層１５上には、バリア層としての半導体層１７が形成されている。半導体層１７上には、複数の量子ドット１８が形成されている。量子ドット１８が形成された半導体層１５上には、バリア層としての半導体層１９が形成されている。
【００６９】
半導体層１１上に形成された量子ドット１２は、ユニタリ変換用の補助量子ドットＱ３を構成する。これら補助量子ドットＱ３の近傍には、永久磁石２４が配置される。永久磁石２４は、図６（ａ）に示すように、ｘ軸、ｙ軸に対しほぼ４５度の角度で配置され、補助量子ドットＱ３を挟んでＳ極とＮ極とが対向する。すなわち、図６（ａ）において、磁場はη方向に印加されることとなる。
【００７０】
半導体層１３上に形成された量子ドット１４は、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９を構成する。図５（ｂ）に示すように、同一平面上に正方格子状に主量子ドットＱ０が配置され、各種量子ドットＱ０の近傍に、ｘ軸方向に演算量子ドットＱ６，Ｑ８が配置され、ｙ軸方向に演算量子ドットＱ７，Ｑ９が配置されている。なお、主量子ドットＱ０は、補助量子ドットＱ３の上方に位置する。
【００７１】
半導体層１５上に形成された量子ドット１６は、ユニタリ変換用の補助量子ドットＱ２を構成する。これら補助量子ドットＱ２の近傍には、永久磁石２５が配置される。永久磁石２５は、図６（ｂ）に示すように、補助量子ドットＱ２を挟んでＳ極とＮ極とが対向する。なお、補助量子ドットＱ２に印加される磁場の方向と、補助量子ドットＱ３に印加される磁場の方向とはほぼ直交する向きである。すなわち、図６（ｂ）において、磁場はξ方向に印加されることとなる。なお、補助量子ドットＱ２は、主量子ドットＱ０の上方に位置する。
【００７２】
半導体層１７上に形成された量子ドット１８は、読み出し用量子ドットＱ５を構成する。なお、読み出し用量子ドットは、補助量子ドットＱ２の上方に位置する。
【００７３】
量子ドットＱ５上には、量子ドットＱ５に容量結合されたＲＦ−ＳＥＴ（図示せず）が形成されている。
【００７４】
次に、本実施形態による量子回路装置の原理及び動作について図８及び図９を用いて説明する。なお、２キュビット演算の手法については、第１実施形態の場合と同様である。
【００７５】
電子スピンキュビットでは、スピンの向きの任意回転が１キュビットの任意ユニタリ変換に対応する。スピンは磁気モーメントを伴う。したがって、一様磁場中で歳差運動を行う。磁場中に電子を配置することにより、ユニタリ変換である１キュビット演算を行うことができる。本実施形態による量子回路装置では、図２で説明した演算量子ドットの他に、主量子ドットと非対称結合量子ドットを形成する補助量子ドットＱ２，Ｑ３を設け、スピンの向きの任意回転を可能としている。
【００７６】
１キュビット演算を行うには、まず、主量子ドットＱ０にある電子を補助量子ドットＱ２又はＱ３に遷移させる。その際、演算後における所望のスピンの向きに応じて、補助量子ドットＱ２又はＱ３が選択される。補助量子ドットに遷移された電子は、補助量子ドットに印加されている磁場の方向に応じて、スピンの向きが変化する。その後、補助量子ドットＱ２又はＱ３にある電子を主量子ドットＱ０に遷移させることにより、１キュビット演算が完了する。なお、主量子ドットと補助量子ドットとの間で電子を遷移する際には、πパルスを照射する。
【００７７】
１キュビット演算を可能とするには、補助量子ドットにだけ局所的な磁場を発生させることが必要となる。このためには、例えば図７に示すように、補助量子ドットＱ２，Ｑ３を強磁性体の磁場の間におくことが有効である。これにより、補助量子ドット内部だけに強い磁場を制限することが可能となる。したがって、補助量子ドット以外の場所では電子スピンは磁場の影響を受けて回転する心配はない。なお、磁場を印加する方向はη方向及びξ方向に限られず、直交する任意の組み合わせ、例えばｘ方向及びｙ方向に印加するようにしてもよい。
【００７８】
演算系列の途中、或いは演算系列の最後に各キュビットの状態を観察するには以下のようにすればよい。スピンキュビットの場合、スピンの上向き、下向きを測定する。このためには、１キュビット演算用の補助量子ドットと、観測用の量子ドットとを用いる。
【００７９】
まず、単色スペクトルの第１のπパルス（π1）により、ｘ軸に対して上向きスピンの成分のみを補助量子ドットＱ２に遷移させる（図８（ａ）〜図８（ｂ））。補助量子ドットには磁場が印加されているためゼーマン効果によりエネルギー準位の縮退が解けており、レーザ光の照射により上向き又は下向きのいずれか一方のみが遷移することができる。
【００８０】
次いで、第２のπパルス（π2）により、補助量子ドットＱ２に遷移された上向きスピンの成分を観測量子ドットＱ５に遷移させる（図８（ｃ））。観測量子ドットＱ５は、補助量子ドットＱ２よりも大きく、一旦観測量子ドットＱ５と主量子ドットＱ０に分配された波動関数は、外部環境との相互作用によってもその存在確率は余り変化を受けない。
【００８１】
次いで、観測量子ドットＱ５の分極電荷を単一電子トランジスタＳＥＴで検出する（図８（ｄ））。このとき、単一電子トランジスタＳＥＴにより電子を検出できた場合には主量子ドットＱ０には上向きスピンの電子が存在することが判り、電子を検出できない場合には上向きスピンの電子が存在しないことが判る。こうして、キュビットの状態を観察することができる。
【００８２】
本実施形態による量子回路装置では、電子の検出にＲＦ−ＳＥＴを用いている。ＲＦ−ＳＥＴは、図８に示すように、高周波電源を用い、ＬＣ回路により検出回路を構成する。通常のＳＥＴは、帯域が狭く量子回路全体の高速動作は困難である。一方、ＲＦ−ＳＥＴは広帯域であり高速動作に向いている。したがって、量子回路装置において電子の検出に用いるＳＥＴとしては、ＲＦ−ＳＥＴを用いることが望ましい。なお、ＲＦ−ＳＥＴに関しては、例えば、A.N.Korotkov and M.A.Paalanen, Appl.Phys.Lett., Vol.74, 4052 (1999)等に詳述されている。
【００８３】
なお、補助量子ドットに存在する電子は励起状態にあり、幾分なりとも緩和を受ける可能性がある。緩和により乱れた波動関数は、量子計算のノイズとなる。これを防ぐためには、ホールド状態で一定時間以上演算セルを放置すればよい。
【００８４】
図９は、ノイズを除去する方法を示す。図９（ａ）は、主量子ドットに存在する電子にπパルスを照射し、励起状態に遷移させる工程を示す。
【００８５】
図９（ｂ）は、励起状態に遷移した状態を示す。電子は、演算量子ドットＱ１にほぼ１００％存在する。しかしながら、この状態で緩和を受けると、演算量子ドットＱ１からある成分が主量子ドットＱ０に戻る。
【００８６】
図９（ｃ）は、緩和を受けた結果の波動関数を示す。演算量子ドットＱ１には、９０％の波動関数が存在するが、残りの１０％は、主量子ドットの基底状態に移る。
【００８７】
この状態でπパルスを照射すると、基底状態の成分は励起状態に遷移し、励起状態の成分は基底状態に遷移する。
【００８８】
図９（ｄ）は、遷移後の状態を示す。主量子ドットＱ０の基底状態に９０％の成分が存在し、演算量子ドットＱ１の励起状態に１０％の成分が存在するこの状態で一定時間以上放置する。
【００８９】
図９（ｅ）は、一定時間経過後の状態を示す。緩和機構が働くと、演算量子ドットＱ１の励起状態の成分が主量子ドットＱ０の基底状態に遷移し、１００％の成分が主量子ドットＱ０の基底状態に遷移する。このようにして、緩和によるノイズを除去することができる。
【００９０】
次に、本実施形態による量子回路装置の製造方法について図１０乃至図１６を用いて説明する。なお、図１３乃至図１６は、製造過程において量子回路装置の構成要素を一平面上に射影して示した平面図である。
【００９１】
まず、図示しない半導体基板１上に、例えばＣＶＤ法により、バリア層となる半導体層１１を成長する。
【００９２】
次いで、半導体層１１上に例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層を堆積した後、この絶縁層をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、補助量子ドットＱ３の形成予定領域に開口を有するマスクＭ１１を形成する（図１０（ａ））。
【００９３】
次いで、例えばＣＶＤ法により、マスクＭ１１上には結晶成長せず半導体層１１上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を選択的に成長し、この半導体層よりなる量子ドット１２を形成する。
【００９４】
次いで、例えばウェットエッチングにより、マスクＭ１１をエッチング除去する（図１０（ｂ））。
【００９５】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングすることにより、量子ドット１２を形成することもできる。
【００９６】
次いで、量子ドット１２が形成された半導体層１１上に、磁性体膜を堆積してこれをパターニングし、η方向に細長く延在する磁性体パターン２４を作成する（図１３（ａ））。
【００９７】
なお、磁性体パターン２４は、量子ドット１２を形成する場合と同様の選択成長技術を用いて形成してもよい。また、量子ドットＱ３と磁性体パターン２４の作成順序はいずれが先であってもよい。
【００９８】
次いで、量子ドット１２及び磁性体パターン２４が形成された半導体層１１上に、量子ドット１２及び磁性体パターン２４を覆うように、バリア層となる半導体層１３を成長する（図１０（ｃ））。
【００９９】
次いで、半導体層１３上に例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層を堆積した後、この絶縁層をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９の形成予定領域に開口を有するマスクＭ１２を形成する（図１０（ｄ））。
【０１００】
次いで、例えばＣＶＤ法により、マスクＭ１２上には結晶成長せず半導体層１３上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を選択的に成長し、この半導体層よりなる量子ドット１４を形成する。
【０１０１】
次いで、例えばウェットエッチングにより、マスクＭ１２をエッチング除去する（図１１（ａ）、図１３（ｂ））。
【０１０２】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングすることにより、量子ドット１４を形成することもできる。
【０１０３】
次いで、量子ドット１４が形成された半導体層１３上に、量子ドット１４を覆うように、バリア層となる半導体層１５を成長する。
【０１０４】
次いで、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すと同様にして、半導体層１５上に、補助量子ドットＱ２としての量子ドット１６、ξ方向に細長く延在する磁性体パターン２５、量子ドット１６及び磁性体パターン２５上を覆うバリア層としての半導体層１７を形成する（図１１（ｂ）、図１４（ａ））。
【０１０５】
なお、磁性体パターン２４，２５を、図７に示すように量子ドットが構成する格子に対して対角線方向に延在させると、磁性体パターンの直上に量子ドットを形成する必要がない。したがって、磁性体パターンをこのように配置することにより、作成がきわめて容易になる。
【０１０６】
次いで、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すと同様にして、半導体層１７上に、観測量子ドットＱ５としての量子ドット１８及び量子ドット１８上を覆うバリア層としての半導体層１９を形成する（図１１（ｃ））。
【０１０７】
次いで、例えばＣＶＤ法により、半導体層１９上に、例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２０を形成する。
【０１０８】
次いで、絶縁層上に例えばＣＶＤ法により導電膜を堆積してパターニングし、量子ドットＱ５に容量結合された電極２１と、電極２２，２３とを有するＲＦ−ＳＥＴを形成する（図１２（ａ）、図１４（ｂ））。
【０１０９】
次いで、例えばＣＶＤ法により、ＲＦ−ＳＥＴが形成された絶縁層２０上に、例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２６を形成する。
【０１１０】
次いで、リソグラフィ及びエッチングにより絶縁層２６をパターニングし、ＲＦ−ＳＥＴの一方の電極２２に達するビアホール２７を形成する（図１５（ａ））。
【０１１１】
次いで、例えばスパッタ法により導電層を堆積した後にこの導電層をパターニングし、ビアホール２７を介してＲＦ−ＳＥＴの電極２２に電気的に接続されたＶｓ配線２８を形成する（図１５（ｂ））。
【０１１２】
次いで、Ｖｓ配線が形成された絶縁層上に、例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２９を形成する。
【０１１３】
次いで、リソグラフィ及びエッチングにより絶縁層２９，２６をパターニングし、ＲＦ−ＳＥＴの他方の電極２３に達するビアホール３０を形成する（図１６（ａ））。
【０１１４】
次いで、例えばスパッタ法により導電層を堆積した後にこの導電層をパターニングし、ビアホール３０を介してＳＥＴの電極２３に電気的に接続されたＶｄ配線３１を形成する（図１２（ｂ）、図１５（ｂ））。
【０１１５】
２層に分布した磁性体パターン２４，２５を作成した後、ｙ方向に磁場を印加し、磁性体パターンを磁化する。細長い磁性体パターンの場合、長軸方向に沿って磁化が生じる性質を有する。このため、ｙ軸方向の磁場印加に対し、磁性体パターン２４はη方向に、磁性体パターン２５はξ方向に磁化を生じる。
【０１１６】
こうして、図５に示す量子回路装置を製造することができる。
【０１１７】
なお、量子ドット及びバリア層は、図２に示すようなエネルギ準位を画定できるのもであればよいが、良質な結晶を用いることが好ましく、この点から半導体結晶を用いることが望ましい。量子ドット／バリア層となる半導体材料の組み合わせとしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。これら材料系を用いる場合、基板としてはＧａＡｓ基板を適用することができる。
【０１１８】
また、磁場が印加される補助量子ドットは、磁場の局在をより有効に働かせるためには、有効時期回転比（ｇ）の大きな材料で形成することが望ましい。ｇ値が大きな材料としては、例えばＧａxＭｎ1-xＡｓ等の希薄磁性半導体が挙げられる。したがって、磁性体パターン２４，２５は、このような材料により構成することが望ましい。
【０１１９】
このように、本実施形態によれば、主量子ドットに隣接して磁場中に置かれた補助量子ドットを配置するので、この補助量子ドットを用いて１キュビット演算を行うことができる。また、補助量子ドットに隣接して観測量子ドットを配置し、観測量子ドットの状態に基づいて主量子ドットにおける分極をＲＦ単一電子トランジスタにより検知するので、主量子ドットの状態を高速に検出することができる。
【０１２０】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１７を用いて説明する。
【０１２１】
図１７は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【０１２２】
第２実施形態では、１キュビット演算が可能な量子回路装置において演算セルを２次元格子状に配置した場合を示したが、演算セルを１次元に配置することもできる。演算セルを１次元に配置すると、１つの演算セルに隣接する演算セルが多くとも２つとなるため２キュビット演算の自由度が減少する。しかしながら、各量子ドット及び各磁性体パターンをそれぞれ１回の成膜プロセスにより形成することができるので製造プロセスを大幅に簡略化することができる。
【０１２３】
すなわち、演算セルを１次元（１直線）上に繰り返して配置すると、図１７に示すように、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５、磁性体パターン２４，２５は同一平面上に配置することができる。したがって、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５は、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ７，Ｑ９と同時に作成することができる。また、磁性体パターン２４と磁性体パターン２５とは同時に作成することができる。
【０１２４】
なお、図１７に示すパターンの場合、磁性体パターン２４によって補助量子ドットＱ３の両側を挟むことはできないが、磁性体パターン２４の単極側のみを補助量子ドットＱ３に向けることにより、同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
このように、本実施形態によれば、主量子ドット、演算量子ドット、補助量子ドット、観測量子ドットを一平面上に配置するので、製造工程をきわめて容易にすることができる。
【０１２６】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１８乃至図２０を用いて説明する。
【０１２７】
図１８は本実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図、図１９は本実施形態の他の例による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図、図２０は演算セルを２次元格子状に配列したときのレーザ装置の配置例を示す平面図である。
【０１２８】
前述の通り、本発明による量子回路装置では、演算及びキュビットの観察の際に演算セルにπパルスを照射する。したがって、πパルスを発生するレーザ光源が不可欠である。一方、非対称結合量子ドットの準位間エネルギーは、数1０ｍｅＶから数１００ｍｅＶであり通常のバンド間遷移による半導体レーザでは共鳴が起きない。そこで、本実施形態では、本発明に適用可能なレーザ光源及びレーザ光源の配置方法について説明する。
【０１２９】
本発明の量子回路装置に好適なレーザ光源としては、半導体超格子を用いた量子カスケードレーザや、狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することができる。これら長波長を用いることにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【０１３０】
図１８は、第１又は第３実施形態による量子回路装置上に量子カスケードレーザを積層した構造を示している。すなわち、半導体層４上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる下部導電層４０が形成されている。下部導電層４０上には、例えばＡｌＧａＡｓよりなるバリア層４１と、例えばＧａＡｓよりなる井戸層４２とが多数積層されてなる多重量子井戸層４３が形成されている。多重量子井戸層４３には、例えばＡｌＧａＡｓよりなる電流狭窄層４４が設けられている。多重量子井戸層４３上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる上部導電層４５が形成されている。上部導電層４５上には、例えばＡｕよりなる上部電極４６が形成されている。
【０１３１】
量子カスケードレーザの上部導電層４５と下部導電層４０との間に電圧を印加すると、そのバンド構造は図１８（ｂ）に示すようになる。量子カスケードレーザでは、図１８（ｂ）に示されるように、ある井戸層にある電子が隣接する井戸層にトンネリングしてその井戸層の量子準位に遷移（サブバンド間遷移）する過程で、隣接する井戸層の量子準位のエネルギ差に応じた波長ｈνの光を放出する。このような発光メカニズムによって、多重量子井戸層の各井戸層間で繰り返し波長ｈνの光が放出される。
【０１３２】
ここで、隣接する井戸層の量子準位のエネルギ差は、上部導電層と下部導電層との間に印加する電圧によって変化する。つまり、上部導電層と下部導電層との間に印加する電圧を制御することにより、量子カスケードレーザから放出される光の波長を、非対称結合量子ドットの準位間エネルギーである数1０〜数１００ｍｅＶ程度のエネルギに共鳴する波長に容易に制御することができる。
【０１３３】
図１９は、第１又は第３実施形態による量子回路装置上に狭バンドギャップ半導体レーザを積層した構造を示している。すなわち、半導体層４上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる下部導電層４０が形成されている。下部導電層４０上には、例えばｎ−ＰｂＳｎＴｅよりなるｎ型半導体層４７と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる下部クラッド層４８と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる量子井戸活性層４９と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる上部クラッド層５０と、例えばｐ−ＰｂＳｎＴｅよりなるｐ型半導体層５１とが順次積層されてなる素子５２が形成されている。素子層５２には、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる電流狭窄層４４が形成されている。素子層５２上には、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる上部導電層４５が形成されている。上部導電層４５上には、例えばＡｕよりなる上部電極４６が形成されている。
【０１３４】
このような量子井戸レーザにおいて、量子井戸活性層４９としてIII-Ｖ族半導体やIV−VI族半導体などの狭バンドギャップ半導体（例えば、ＰｂＳｎＴｅ等）を適用することにより、発振波長が非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する半導体レーザを構成することができる。
【０１３５】
狭バンドギャップ半導体レーザの場合には、量子カスケードレーザのように波長可変ではない。複数の波長の励起光が必要な場合には、量子回路装置上に異なる発光波長を有する狭バンドギャップ半導体レーザを複数積層するようにすればよい。
【０１３６】
なお、上記長波長レーザは、図１に示す第１実施形態による量子回路装置上に、半導体レーザの通常の製造プロセスを経て形成することができる。
【０１３７】
上記いずれの場合も、演算セルが配置する平面から一定距離離れた平面上にレーザ装置を配列することにより、任意のセルを選択的に制御（演算、回転、観測）することができる。この平面は観測用のＳＥＴが配列されている平面と同じ側にあっても反対側にあってもよい。
【０１３８】
この制御用のレーザ光が有効に働くためには、電気双極子遷移が強くなるためにレーザ光の偏波面が非対称結合ドットのドットを結ぶ線上にあることが望ましい。したがって、上記レーザ装置の共振器を設計するにあたっては、偏波面が量子ドットの配列方向とほぼ並行になるような構造をとることが有効である。
【０１３９】
上記レーザ装置は、セルと同じように平面的に配列されているが、レーザ装置は一般的に量子ドットセルよりも物理サイズが大きくなる。したがって、一つのレーザ装置で複数のセルを受け持たせることが必要となることが考えられる。そのような場合には、演算セルとレーザ装置との間に、レーザビームを所望セルに偏向させるための偏光素子、例えばフォトニック結晶を設けることが望ましい。こうすることにより、少数のレーザで多数のセルの演算を制御することができる。なお、フォトニック結晶については、例えば、Susumu Noda et al., Science, July, 2000、Alongkarn Chutinan and Susumu Noda et al., Applied Physics Letters, December, 1999、Susumu Noda et al., Journal of Lightwave Technology, November, 1999、Alongkarn Chutinan and Susumu Noda, Rapid Communications, January, 1998等に記載されている。
【０１４０】
演算セルを２次元格子状に配列した第２実施形態による量子回路装置では、主量子ドットＱ０、演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９が形成された面（ｚ軸に垂直な面）は、図１８，１９に示すレーザ装置の形成面と平行な平面上に形成されている。したがって、主量子ドットと演算量子ドットとの間での電子の遷移に用いるレーザ光源は、図１８，１９に示すレーザ装置と同様のレーザ装置を量子回路装置上に形成すればよい。
【０１４１】
しかしながら、主量子ドットＱ０、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５が形成された面（ｚ軸に平行な面）は、図１８，１９に示すレーザ装置の形成面とは垂直方向に位置している。したがって、主量子ドットと補助量子ドットとの間及び補助量子ドットと観測量子ドットとの間での電子の遷移には、このレーザ装置を使用するのは困難である。
【０１４２】
したがって、第２実施形態による量子回路装置では、図２０に示すように、複数の演算セル（図示せず）を含むセル領域５３に隣接して、ｘ軸に沿ってセル領域５３方向に向けてレーザ光を照射するレーザ光源５４や、ｙ軸に沿ってセル領域５３方向に向けてレーザ光を照射するレーザ光源５５を形成すればよい。レーザ光源５４，５５としては、図１８，図１９に示すような量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザを適用することができる。なお、主量子ドットＱ０と演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９との間での電子の遷移に、レーザ光源５４，５５を用いるようにしてもよい。
【０１４３】
また、セル領域５３とレーザ光源５４，５５との間に、フォトニック結晶などよりなる偏光素子５６とを設け、任意の演算セルにレーザ光を照射できるようにするようにしてもよい。
【０１４４】
このように、本実施形態によれば、電子の遷移に用いるπパルスを発生するレーザ光源として、量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【０１４５】
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【０１４６】
以上詳述したように、本発明による量子回路装置の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０１４７】
（付記１） 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットとを有することを特徴とする量子回路装置。
【０１４８】
（付記２） 付記１記載の量子回路装置において、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１４９】
（付記３） 付記２記載の量子回路装置において、前記第１の補助量子ドットよりもサイズが大きく、前記第１の補助量子ドットと結合して第５の非対称結合量子ドットを構成する観測量子ドットと、前記観測量子ドットに容量結合され、前記観測量子ドットの状態に基づいて前記主量子ドットにおける分極を検出するＲＦ単一電子トランジスタとを更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１５０】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子を更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１５１】
（付記５） 付記４記載の量子回路装置において、前記レーザ素子は、前記非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する波長の光を発する量子カスケードレーザであることを特徴とする量子回路装置。
【０１５２】
（付記６） 付記５記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、少なくとも１つが他の非対称結合量子ドットの準位間隔とは異なる準位間隔を有しており、前記量子カスケードレーザに印加する電圧を制御して発振波長を変化することにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５３】
（付記７） 付記４記載の量子回路装置において、前記レーザ素子は、前記非対称結合量子ドットの準位間隔とほぼ等しいバンドギャップを有する半導体を活性層とする狭バンドギャップ半導体レーザであることを特徴とする量子回路装置。
【０１５４】
（付記８） 付記７記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、少なくとも１つが他の非対称結合量子ドットの準位間隔とは異なる準位間隔を有しており、前記レーザ素子は、発振波長が異なる前記狭バンドギャップ半導体レーザを少なくとも２つ含み、レーザ光を発する前記狭バンドギャップ半導体レーザを換えることにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５５】
（付記９） 付記４乃至８のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記レーザ素子が発するレーザ光の偏光面が、前記非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸に平行であることを特徴とする量子回路装置。
【０１５６】
（付記１０） 付記４乃至９のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記レーザ光の強度は、前記第１及び第２の結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱いことを特徴とする量子回路装置。
【０１５７】
（付記１１） 付記４乃至１０のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットと前記レーザ素子との間に、偏光素子を更に有し、前記偏光素子により、前記レーザ光を照射する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５８】
（付記１２） 付記１１記載の量子回路装置において、前記偏光素子は、フォトニック結晶により構成されていることを特徴とする量子回路装置。
【０１５９】
（付記１３） 付記１乃至１２のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、ほぼ主量子ドットに局在する基底状態と、主量子ドットにはほぼ存在しない励起状態とを有することを特徴とする量子回路装置。
【０１６０】
（付記１４） 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットとを有することを特徴とする量子回路装置の量子演算方法であって、ほぼ主量子ドットに局在する基底状態と、主量子ドットにはほぼ存在しない励起状態とを有する量子回路を用い、電子のスピンを演算の基底として演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６１】
（付記１５） 付記１４記載の量子演算方法において、前記演算を行うステップは、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットにそれぞれ１個の電子を閉じ込め、前記第１及び第２の演算量子ドットのそれぞれに電子が存在する励起状態で電子間に運動学的な交換相互作用を行わせることにより２ビット演算を行うことを特徴とする量子演算方法。
【０１６２】
（付記１６） 付記１５記載の量子演算方法において、演算後、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットを基底状態に設定し、一定時間以上放置することにより、リセットを行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６３】
（付記１７） 付記１４乃至１６のいずれか１項に記載の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有し、電子を前記第１の補助量子ドット又は前記第２の補助量子ドットに遷移させることにより、電子のスピンの向きを回転する１ビット演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６４】
（付記１８） 付記１４乃至１７のいずれか１項に記載の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記非対称結合量子ドットにある電子を遷移するためのレーザ光を照射するレーザ素子を更に有し、前記レーザ素子の発光波長を制御することにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子演算方法。
【０１６５】
（付記１９） 付記１８記載の量子演算方法において、前記レーザ光の強度が、前記第１及び第２の結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱くなるように設定することを特徴とする量子演算方法。
【０１６６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、サイズの大きい主量子ドットとサイズの小さい演算量子ドットとを含む非対称結合量子ドットにより演算セルを構成し、スリープ状態では交換相互作用の働かない主量子ドットの基底状態に電子をおき、演算を行うときには演算量子ドットの励起状態に電子を遷移し、隣接する演算量子ドット間における交換相互作用によって演算を行うので、比較的安定な動作が可能となる。また、主量子ドットと演算量子ドットとの間の電子の遷移はレーザ光の照射によって行うので、その構成もきわめて容易にすることができる。
【０１６７】
また、主量子ドットに隣接して磁場中に置かれた補助量子ドットを配置することにより、この補助量子ドットを用いて１キュビット演算を行うことができる。
また、補助量子ドットに隣接して観測量子ドットを配置し、観測量子ドットの状態に基づいて主量子ドットにおける分極をＲＦ単一電子トランジスタにより検知するので、主量子ドットの状態を高速に検出することができる。
【０１６８】
また、電子の遷移に用いるπパルスを発生するレーザ光源として、量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による量子回路装置の原理及び動作を説明するエネルギバンド図である。
【図３】本発明の第１実施形態による量子回路装置に用いるレーザ光の照射条件を説明するエネルギバンド図である。
【図４】本発明の第１実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を概略的に示す斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図及び概略断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による量子回路装置におけるキュビットの状態の観察方法を説明する図である。
【図９】本発明の第２実施形態による量子回路装置における緩和によるノイズの除去方法を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１１】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１２】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図１３】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その１）である。
【図１４】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その２）である。
【図１５】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その３）である。
【図１６】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その４）である。
【図１７】本発明の第３実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図である。
【図１９】本発明の第４実施形態の他の例による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図である。
【図２０】演算セルを２次元格子状に配列したときのレーザ装置の配置例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板
２，４…半導体層
３…量子ドット
１１，１３，１５，１７，１９…半導体層
１２，１４，１６，１８…量子ドット
２０，２６，２９…絶縁層
２１，２２，２３…電極
２４，２５…磁性体パターン
２７，３０…ビアホール
２８…Ｖｓ配線
３１…Ｖｄ配線
４０…株導電層
４１…バリア層
４２…量子井戸層
４３…多重量子井戸層
４４…電流狭窄層
４５…上部導電層
４６…上部電極
４７…ｎ型半導体層
４８…下部クラッド層
４９…量子井戸活性層
５０…上部クラッド層
５１…ｐ型半導体層
５２…素子層
５３…セル領域
５４，５５…レーザ装置
５６…偏光素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子ドットを用いて演算を行う量子回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
量子コンピュータ及び量子回路は、ドイチュ（D.Deutsch）によって発明された（例えば、D.Deutsch, Proc. R. Soc. London, Ser. A 400 97 (1985); 425, 73 (1989)を参照）。その後、素因数分解や検索などに対する効率的な量子アルゴリズムの発見に触発されて多くの物理系が提案され、さらにその一部は、数キュビットの小規模な回路にすぎないが実際に動作が確かめられている。しかし、これらの系はデコヒーレンスやハードウェア量の増大等の制約によりせいぜい１０キュビット程度までしか集積化できないと考えられている。有用な計算をするためには数１００から１０００キュビットクラスのシステムが必要である。
【０００３】
また、量子コンピュータは決して単独で用いられることはなく、必ず古典コンピュータと緊密に結合されて初めて動作し、その能力を発揮する。これは、例えばショー（P.W.Shor）のアルゴリズムやエラー補正のプロトコルを考えれば明らかである（例えば、P.W.Shor, in Proceedings of the 35th Annual Symposium on Foundations of Computer Science, edited by Goldwasser (IEEE Computer Society, Los Alamitos, CA, 1994) p.124を参照）。集積化及び古典コンピュータとのインターフェースを考慮すると、当然量子コンピュータも半導体ベースであることが望ましい。
【０００４】
そこで、カーン（B.E.Kane）は、バルク２８Ｓｉ中でドナーとなるＰ(隣)の核スピンをキュビットとする提案をしている（例えば、B.E.Kane, Nature (London) 393, 133 (1998)を参照）。このような周囲から孤立した核スピンは、コヒーレンスが非常に長い時間保たれることが知られている。しかしながら、この方式では高純度の同位体シリコン結晶の成長や単一不純物イオンの精密位置制御が要求される。より現実的なアプローチとして、半導体ナノ構造を用いることが考えられる。しかしながら、この場合にもゼロ次元構造以外では連続的な状態密度のために容易にエネルギー緩和を受けるため、デコヒーレンスの点で実現は難しい。幸い今日では様々な方法でゼロ次元構造、すなわち量子ドットを作成することが可能になっている。
【０００５】
このような背景において、バレンコ（A.Barenco）らは、量子ドットを用いたキュビットを提案している（例えば、A.Barenco, D.Deutsch, A.Ekert, and R.Jozsa, Phys.Rev.Lett. 74, 4083 (1995)を参照）。これは量子ドット内の量子準位をキュビットの２準位として用いるものである。外部からの電界によって誘起された隣接する２つの量子ドットの双極子モーメント同士のクーロン相互作用が２キュビット演算に利用される。実験的にも、量子ドットのコヒーレントな量子準位の観測や単一電子効果を利用した電子数の制御は可能になっている。しかしながら、一般に励起準位の電子は電磁場環境やフォノン環境と強く結合しており、デコヒーレンスが強い。
【０００６】
量子エラー補正と量子フォールト−トレランス（fault-torerance）理論の建設によって、ある程度のデコヒーレンスは許容できることが明らかになった（例えば、P.W.Shor, Phys.Rev. A 52, R2493 (1995)等を参照）。しかしながら、そのためにはデコヒーレンスはある一定以下でなければならない。Barencoの提案した方式の単純な量子ドット型キュビットでは、この基準をクリアすることは困難であった。
【０００７】
また、ロス（D.Loss）とディビンセンゾ（D.P.DiVincenzo）は、以上の問題を解決する手段として、量子ドット中の電子スピンを用いる方式を提案している（例えば、D.Loss and D.P.DiVincenzo, Phys.Rev. A 57, 120 (1998)を参照）。スピンは電荷に比べて環境との結合が弱いと期待されている。彼らは、通常用いられる制御ＮＯＴ演算の代わりに、結合量子ドットのスワップ演算を２キュビット演算に用いている。これは実質は２電子系の量子ビートであり、隣接する２つの量子ドットの間のバリアを上げ下げすることによりトンネルを可能とすることでビートのスイッチが入る。但し、彼らの方式では量子ドット間のバリアを上げ下げする手段に課題がある。外部磁場をスイッチする方法では動作速度に限界がでてくる。微小電極により電界を加えバリアのポテンシャルを制御する方法のための高度な加工技術が現在では成立していない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、量子２準位系を計算基底とすることを特徴とする量子回路において、従来は量子準位または電子スピンを２準位系として利用する構成が示されてきた。しかしながら、前者では演算はレーザパルスを用いて比較的容易に行うことができる反面、準位間緩和によるデコヒーレンスが大きいという困難があった。一方、後者ではスピンのデコヒーレンスは小さいという長所がある反面、ゲート演算のコントロールに困難があった。後者について具体的に述べると、演算を精度良く行うためにはゲートを素早くオン／オフする必要があるが、磁場を使うため高速切り換えがきわめて困難であった。このように、量子演算を実行する量子回路装置は未だ帰結すべき種々の課題を有していた。
【０００９】
本発明の目的は、比較的安定に動作させることができ、高速動作が可能な量子回路装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する波長の光を発する量子カスケードレーザであることを特徴とする量子回路装置によって達成される。
また、上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔とほぼ等しいバンドギャップを有する半導体を活性層とする狭バンドギャップ半導体レーザであることを特徴とする量子回路装置によっても達成される。
【００１１】
また、上記の量子回路装置において、前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有するようにしてもよい。
【００１２】
また、上記の量子回路装置において、前記第１の補助量子ドットよりもサイズが大きく、前記第１の補助量子ドットと結合して第５の非対称結合量子ドットを構成する観測量子ドットと、前記観測量子ドットに容量結合され、前記観測量子ドットの状態に基づいて前記第１の主量子ドットにおける分極を検出するＲＦ単一電子トランジスタとを更に有するようにしてもよい。
【００１５】
また、上記の量子回路装置において、前記レーザ素子が発するレーザ光の偏光面が、前記第１の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸並びに前記第２の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸に平行であるようにしてもよい。
【００１６】
また、上記の量子回路装置において、前記レーザ光の強度は、前記第１及び第２の非対称結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱いことが望ましい。
【００１７】
また、上記目的は、第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有する量子回路装置の量子演算方法であって、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットにそれぞれ１個の電子を閉じ込め、前記第１及び第２の演算量子ドットのそれぞれに電子が存在する励起状態で電子間に運動学的な交換相互作用を行わせることにより２ビット演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法によっても達成される。
【００１８】
また、上記の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有し、電子を前記第１の補助量子ドット又は前記第２の補助量子ドットに遷移させることにより、電子のスピンの向きを回転する１ビット演算を行うステップを含むようにしてもよい。
【００１９】
また、上記の量子演算方法において、前記量子回路装置は、準位間エネルギが互いに異なる前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの複数の組を有し、前記レーザ素子の発光波長を制御することにより、前記複数の組の中から電子を遷移する前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの組を選択するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１乃至図４を用いて説明する。
【００２１】
図１は本実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図、図２は本実施形態による量子回路装置の原理及び動作を説明するエネルギバンド図、図３は本実施形態による量子回路装置に用いるレーザ光の照射条件を説明するエネルギバンド図、図４は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図である。
【００２２】
はじめに、本実施形態による量子回路装置の構造について図１を用いて説明する。
【００２３】
半導体基板１上には、バリア層としての半導体層２が形成されている。半導体層２上には、互いに隔離して島状に設けられた量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成されている。量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、後述する所定の間隔でそれぞれが配置されている。量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成された半導体層２上には、バリア層としての半導体層４が形成されている。
【００２４】
量子ドット３ａ，３ｂ及び量子ドット３ｃ，３ｄは、それぞれが一つの演算セルを構成する。各演算セルは、サイズの比較的大きい主量子ドット（量子ドット３ａ又は３ｃ）と、サイズの比較的小さい従量子ドット（量子ドット３ｂ又は３ｄ）とを含む。一の演算セル内において、主量子ドットと従量子ドットとは十分近接して配置され、共通の量子状態を実現する。このように、各演算セルは、非対称結合量子ドットにより構成されている。なお、「結合量子ドット」とは、２つの量子ドットが近接配置されて結合し、共通の量子状態を有するものである。また、「非対称結合量子ドット」とは、結合した量子ドットのサイズが互いに異なる結合量子ドットである。
【００２５】
各演算セルは、従量子ドット（量子ドット３ｂと量子ドット３ｄ）が互いに隣接するように配置されている。このとき、隣接演算セルの従量子ドット間は、従量子ドット間で電子がトンネル可能な距離とされている。
【００２６】
このように、本実施形態による量子回路装置は、演算セルが非対称結合量子ドットにより構成されており、各演算セルが電子がトンネル可能な距離に配置されていることに主たる特徴がある。
【００２７】
次に、本実施形態による量子回路装置の原理及び動作について図２を用いて説明する。
【００２８】
複数の量子ドットを相互にトンネリング可能な範囲内に配置すると、共通の量子状態を実現することができる。すなわち、複数の量子ドットを含む系全体として、基底状態、励起状態を持つ。系内の量子ドットのサイズが異なるものは非対称結合量子ドットと呼ばれる。
【００２９】
図２（ａ）はエネルギバンド図であり、横方向が位置を表し、縦方向がエネルギを表す。非対称結合量子ドットＱＡは、サイズの比較的大きい主量子ドットＱＡ０と、サイズの比較的小さい従量子ドットＱＡ１とを含む。これら２つの量子ドットＱＡ０，ＱＡ１は十分近接して配置され、共通の量子状態を実現する。基底状態は、主量子ドットＱＡ０にほぼ局在した状態であり、励起状態は従量子ドットＱＡ１にほぼ局在した状態である。
【００３０】
ここで、「ほぼ局在」とは、量子演算を行う時間スケールで局在していると見なせる状態をいう。基底状態にあるときは電子は主量子ドットＱＡ０に存在すると考えることができ、励起状態にあるときは電子は従量子ドットＱＡ１に存在すると考えることができる。基底状態と励起状態とのエネルギ差に等しいエネルギ差を有し、遷移を起こすのに十分な強度、パルス長を有するπパルスを印加すると、基底状態の電子は励起状態へ、励起状態の電子は基底状態へとほぼ１００％遷移する。
【００３１】
図２（ａ）に示すように、非対称結合量子ドットＱＡの近傍に、他の非対称結合量子ドットＱＢを配置する。このとき、非対称結合量子ドットＱＢの従量子ドットＱＢ１を非対称結合量子ドットＱＡの従量子ドットＱＡ１からトンネル可能な距離に配置する。非対称結合量子ドットＱＢの主量子ドットＱＢ０は、非対称結合量子ドットＱＡからより離れた側に配置する。
【００３２】
励起状態で、電子が従量子ドットＱＡ１，ＱＢ１に存在するときは、これらの従量子ドットはトンネル可能な距離にあるため、運動学的交換相互作用が可能である。基底状態で、電子が主量子ドットＱＡ０，ＱＢ０に存在するときは、バリア高が高くなり、電子間の距離が大きくなるので、波動関数の重なりはほとんどなく、両電子は互いに干渉せずにホールドないしスリープ状態となる。
【００３３】
すなわち、主量子ドット相互間の距離は十分離れ、バリア高は高く、従量子ドット間の距離は短く、バリア高は低く、トンネル可能な状態になる。電子が主量子ドットにあるときは互いに干渉が生ぜず、電子が従量子ドットに存在するときにのみ相互作用を生じさせ、演算を行うことができる。この観点より、以下従量子ドットＱＡ１，ＱＢ１を演算量子ドットと呼ぶ。
【００３４】
図２（ａ）は、非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢが共にそれぞれ１個の電子を有し、共に基底状態にある場合を示している。主量子ドットＱＡ０，ＱＢ０にある電子は互いに干渉しない。
【００３５】
この状態で、非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢにπパルスを照射する。πパルスのレーザビームを吸収した電子は、１００％励起状態に遷移する。
【００３６】
図２（ｂ）は、電子が共に励起状態に遷移した非対称結合量子ドットＱＡ、ＱＢの状態を示している。励起状態の電子の波動関数は、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１にほぼ局在する。電子のスピンは、基底状態から励起状態への遷移によって変化せず、同一状態を維持する。
【００３７】
励起状態では、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１がトンネリング可能な距離にあるため、演算量子ドットＱＡ１，ＱＢ１の電子間で運動学的（スピン−スピン）交換相互作用が生じ、スピンが回転する。このスピンの回転を、演算として利用することができる。
【００３８】
電子スピンキュビットでは、例えば電子のトンネリングにより発生する運動学的交換相互作用
Ｈｓ＝Ｊ（Ｓ1・Ｓ2−１/４）＝（Ｊ／２）（Ｓ2−２）
を演算に用いる。ここで、Ｓ＝Ｓ1＋Ｓ2である。この相互作用は、スカラ積で表される等方的な相互作用である。
【００３９】
非等方的な相互作用として、ベクトル３重積や対称テンソルを挟んだ内積
Ｈｅ＝ｄ・（Ｓ1×Ｓ2）
Ｈｔ＝Ｓ1・Γ・Ｓ2
を用いることもできる。ここで、ｄは空間に固定されたベクトル、Γは対称テンソルである。これらの相互作用はスピン−軌道相互作用の強い材料、例えばバンドギャップの狭いＩｎＡｓなどの半導体を用いることにより実現することができる。
【００４０】
図２（ｂ）の励起状態にある非対称結合量子ドットＱＡ，ＱＢにπパルスを照射する。πパルスを吸収した電子は、１００％励起状態から基底状態へ遷移する。すなわち、図２（ｂ）の状態から図２（ａ）の状態に遷移する。
【００４１】
演算後、図２（ａ）に示す基底状態に遷移した電子は、相互間の影響（運動学的交換相互作用）が無くなり、同一状態を安定に保つことができる。
【００４２】
なお、従来のスピン量子ゲートでは、演算をしない時は２つの量子ドットの間のポテンシャルバリアは高く、電子はこれをトンネルすることができない。演算を行うには何らかの方法でバリアを下げてトンネルが可能になるようにし、それによって交換相互作用が可能となり、スワップ演算が行われる。バリアを下げるには２つの方法が考えられる。第１は、磁場を印加することにより量子ドット内の電子の波動関数を変化させ、バリアへの波動関数のしみ込みを大きくすることにより、結果としてトンネル確率を増大させる方法である。しかし、トンネル確率の有意な増大を起こすためには、量子ドット内に１磁束以上相当の強い磁場を加える必要がある。それだけでなく、特定の量子ドット対だけ選択的に演算させるためには、磁場は局所的でなければならない。さらに、演算が非断熱的に行われる必要があるため磁場の切り換えは十分素早くなくてはならない。但し、この３つの条件を同時に満たすこと原理的に困難である。第２、は量子ドット間に微小な電極を配置し、電界を加えるという方法である。しかしこの方法では非常に微細な電極を加工する製造技術が要求される。
【００４３】
一方、本発明による方式では、２キュビット量子演算は予備ドットの助けを借りて行われる。各セルはサイズの大きな主量子ドットとそれより小さな演算量子ドットにより構成される。キュビットはセル内に閉じ込められた一つの電子のスピンによって担われる。演算が行われない間は、両セルの各電子は主量子ドットに存在し、従って電子間の距離がおおきくエネルギー準位も低いため互いにトンネルすることはなく、交換相互作用も働かない。演算を行うには、まずレーザによるπパルスを両量子ドットに照射し、両電子を演算量子ドットに遷移させる。この状態では、電子は互いに接近し、わずかにトンネルすることが可能となる。従って交換相互作用が働き、スワップ演算が行われる。したがって、本発明による方式では、演算をスイッチするのにレーザパルスだけが必要であり、極めて容易である。さらにレーザ光は直径１μｍ程度のビームに絞れるため、特定のセル間の演算のみをスイッチできる。もし必要であればレーザスポットに入る範囲のセルだけ共鳴エネルギをずらして設計しておけばより高密度にセルを配置することができる。
【００４４】
上述のような電子の遷移を実現するためには、電子の遷移に用いるレーザ光の強度は、強すぎず且つ弱すぎない範囲に設定する必要がある。
【００４５】
図３（ａ），（ｂ）は、照射するレーザ光の強度が強すぎる場合の問題を示すエネルギバンド図である。図３（ｃ）は、照射するレーザ光の強度が弱すぎる場合の問題を示すエネルギバンド図である。なお、図３（ａ）では説明の便宜上、上向きスピンと下向きスピンとを異なるエネルギ準位に記載しており縮退が解けているようにみえるが、上向きスピンと下向きスピンとは同じエネルギ準位に位置しており縮退状態である。
【００４６】
レーザ照射により電子を隣接する量子ドットに遷移する場合、電子のスピンはそのままの向きを維持する必要がある（断熱遷移：図３（ａ）中、"allowed"と記載）。しかしながら、照射するレーザ強度が強すぎると、遷移する過程でスピンの向きが回転することがある（非断熱遷移：図３（ａ）中、"forbidden"と記載）。電子のスピンの向きが回転してしまうと、所定の情報を維持することができなくなる。また、照射するレーザ強度が強すぎる場合、図３（ｂ）に示すように、電子が励起準位に遷移（非断熱遷移：図３（ｂ）中、"Zener"と記載）してしまうこともある。したがって、照射するレーザ光の強度は、上述のような遷移過程が生じないエネルギ、例えば１００ｍＷ以下のエネルギに設定することが望ましい。
【００４７】
他方、隣接する演算ドットは弱く結合しているため、照射するレーザ強度が弱すぎると、図３（ｃ）に示すように、２つのサイトに２つの電子が存在する２電子準位に２電子状態で遷移（断熱遷移：図３（ｃ）中、"adiabatic"と記載）することがある。したがって、照射するレーザ光の強度は、上述のような遷移過程の生じないエネルギ、例えば１ｍＷ以上のエネルギに設定することが望ましい。
【００４８】
次に、本実施形態による量子回路装置の製造方法について図４を用いて説明する。
【００４９】
まず、半導体基板１上に、例えばＣＶＤ法により、バリア層となる半導体層２を成長する。
【００５０】
次いで、半導体層２上に、例えばＣＶＤ法により、形成する量子ドットに対応する位置に開口を有する酸化シリコン層などの絶縁層よりなるマスクＭ１を形成する（図４（ａ））。
【００５１】
次いで、例えば選択ＣＶＤ法により、マスクＭ１上には結晶せず、半導体層２上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を成長し、この半導体層よりなる量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成する。
【００５２】
次いで、例えばウェットエッチング法により、マスクＭ１をエッチング除去する（図４（ｂ））。
【００５３】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を例えばＣＶＤ法により全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを形成するようにしてもよい。
【００５４】
次いで、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成された半導体層２上に、量子ドット３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄを覆うようにバリア層となる半導体層４を成長する（図４（ｃ））。
【００５５】
なお、量子ドット及びバリア層は、図２に示すようなエネルギ準位を画定できるのもであればよいが、良質な結晶を用いることが好ましく、この点から半導体結晶を用いることが望ましい。量子ドット／バリア層となる半導体材料の組み合わせとしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。これら材料系を用いる場合、基板としてはＧａＡｓ基板を適用することができる。
【００５６】
このように、本実施形態によれば、サイズの大きい主量子ドットとサイズの小さい演算量子ドットとを含む非対称結合量子ドットにより演算セルを構成し、スリープ状態では交換相互作用の働かない主量子ドットの基底状態に電子をおき、演算を行うときには演算量子ドットの励起状態に電子を遷移し、隣接する演算量子ドット間における交換相互作用によって演算を行うので、比較的安定な動作が可能となる。また、主量子ドットと演算量子ドットとの間の電子の遷移はレーザ光の照射によって行うので、その構成もきわめて容易にすることができる。
【００５７】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図５乃至図１６を用いて説明する。
【００５８】
図５は本実施形態による量子回路装置の構造を概略的に示す斜視図、図６は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図及び概略断面図、図７は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図、図８は本実施形態による量子回路装置におけるキュビットの状態の観察方法を説明する図、図９は本実施形態による量子回路装置における緩和によるノイズの除去方法を説明する図、図１０乃至図１２は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図、図１３乃至図１６は本実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図である。
【００５９】
はじめに、本実施形態による量子回路装置の構造について図５乃至図７を用いて説明する。
【００６０】
第１実施形態では、隣接して設けられた２つの非対称結合量子ドットにより２キュビット演算を行う量子回路装置を示した。しかしながら、量子回路が万能であるためには、２キュビット演算以外に１キュビットの任意ユニタリ変換が必要である。本実施形態では、１キュビットの任意ユニタリ変換が可能な量子回路装置を示す。
【００６１】
電子スピンキュビットでは、スピンの向きの任意回転がこれに対応する。スピンは磁気モーメントを伴う。したがって、一様磁場中で歳差運動を行う。磁場中に電子を配置することにより、ユニタリ変換である１キュビット演算を行うことができる。そこで、本実施形態による量子回路装置では、第１実施形態で説明した演算量子ドットの他に、主量子ドットと非対称結合量子ドットを形成する補助量子ドットを設けている。
【００６２】
図５は、本実施形態による量子回路装置の構成を概略的に示す斜視図である。図中横方向にｙ軸が配置され、縦方向にｚ軸が配置されている。ｘ軸はｙ軸及びｚ軸に直交している。演算セルＳが、ｘｙ平面内で正方格子状に配置されている。各演算セルＳは、その位置によりＳ（０，０）、Ｓ（０，１）のように表されている。各演算セルＳは、その中央に主量子ドットＱ０が配置され、ｘ軸方向に近接して演算量子ドットＱ６，Ｑ８が配置され、ｙ軸方向に近接して演算量子ドットＱ７，Ｑ９が配置されている。
【００６３】
また、主量子ドットＱ０の下方に近接して、ユニタリ変換を行うための補助量子ドットＱ３が配置され、上方に近接して、ユニタリ変換を行うための補助量子ドットＱ２が配置されている。任意の回転を実現するには、２つ以上の回転軸が必要である。補助量子ドットＱ２，Ｑ３は、異なる方向に向いた磁場中に配置され、合わせて任意の回転を実現する。
【００６４】
さらに、補助量子ドットＱ２の上方に、読み出し用量子ドットＱ５が配置されている。読み出し用量子ドットＱ５は、ユニタリ変換用補助量子ドットＱ２よりサイズが大きい。励起状態で補助量子ドットＱ２に存在する電子にπパルスを照射することにより、電子を読み出し用量子ドットＱ５に遷移させることができる。なお、読み出し用量子ドットＱ５は、他方の補助量子ドットＱ３の近傍に配置してもよい。
【００６５】
読み出し用量子ドットＱ５は、容量結合により単電子トランジスタＳＥＴに結合されている。すなわち、読み出し用量子ドットＱ５に電子が存在するときは、その電荷を単電子トランジスタＳＥＴにより検出することができる。
【００６６】
図５の構成によれば、任意の隣接する演算セルＳで演算を行い、演算結果を単電子トランジスタＳＥＴにより読み出すことができる。
【００６７】
次に、図５に示す構成を実現するための具体的な構造について図６及び図７を用いて説明する。なお、図６（ａ）は、各セルの量子ドットの配置と、永久磁石２４，２５の配置を主量子ドットを含む一平面上に射影して示した平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ′線に沿った断面図、図７（ａ）は半導体層１１上における平面図、図７（ｂ）は半導体層１５上における平面図である。
【００６８】
半導体基板１上には、バリア層としての半導体層１１が形成されている。半導体層１１上には、複数の量子ドット１２と、η方向に延在する永久磁石２４とが形成されている。量子ドット１２が形成された半導体層１１上には、バリア層としての半導体層１３が形成されている。半導体層１３上には、複数の量子ドット１４が形成されている。量子ドット１４が形成された半導体層１３上には、バリア層としての半導体層１５が形成されている。半導体層１５上には、複数の量子ドット１６と、ξ方向に延在する永久磁石２５とが形成されている。量子ドット１６が形成された半導体層１５上には、バリア層としての半導体層１７が形成されている。半導体層１７上には、複数の量子ドット１８が形成されている。量子ドット１８が形成された半導体層１５上には、バリア層としての半導体層１９が形成されている。
【００６９】
半導体層１１上に形成された量子ドット１２は、ユニタリ変換用の補助量子ドットＱ３を構成する。これら補助量子ドットＱ３の近傍には、永久磁石２４が配置される。永久磁石２４は、図６（ａ）に示すように、ｘ軸、ｙ軸に対しほぼ４５度の角度で配置され、補助量子ドットＱ３を挟んでＳ極とＮ極とが対向する。すなわち、図６（ａ）において、磁場はη方向に印加されることとなる。
【００７０】
半導体層１３上に形成された量子ドット１４は、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９を構成する。図５（ｂ）に示すように、同一平面上に正方格子状に主量子ドットＱ０が配置され、各種量子ドットＱ０の近傍に、ｘ軸方向に演算量子ドットＱ６，Ｑ８が配置され、ｙ軸方向に演算量子ドットＱ７，Ｑ９が配置されている。なお、主量子ドットＱ０は、補助量子ドットＱ３の上方に位置する。
【００７１】
半導体層１５上に形成された量子ドット１６は、ユニタリ変換用の補助量子ドットＱ２を構成する。これら補助量子ドットＱ２の近傍には、永久磁石２５が配置される。永久磁石２５は、図６（ｂ）に示すように、補助量子ドットＱ２を挟んでＳ極とＮ極とが対向する。なお、補助量子ドットＱ２に印加される磁場の方向と、補助量子ドットＱ３に印加される磁場の方向とはほぼ直交する向きである。すなわち、図６（ｂ）において、磁場はξ方向に印加されることとなる。なお、補助量子ドットＱ２は、主量子ドットＱ０の上方に位置する。
【００７２】
半導体層１７上に形成された量子ドット１８は、読み出し用量子ドットＱ５を構成する。なお、読み出し用量子ドットは、補助量子ドットＱ２の上方に位置する。
【００７３】
量子ドットＱ５上には、量子ドットＱ５に容量結合されたＲＦ−ＳＥＴ（図示せず）が形成されている。
【００７４】
次に、本実施形態による量子回路装置の原理及び動作について図８及び図９を用いて説明する。なお、２キュビット演算の手法については、第１実施形態の場合と同様である。
【００７５】
電子スピンキュビットでは、スピンの向きの任意回転が１キュビットの任意ユニタリ変換に対応する。スピンは磁気モーメントを伴う。したがって、一様磁場中で歳差運動を行う。磁場中に電子を配置することにより、ユニタリ変換である１キュビット演算を行うことができる。本実施形態による量子回路装置では、図２で説明した演算量子ドットの他に、主量子ドットと非対称結合量子ドットを形成する補助量子ドットＱ２，Ｑ３を設け、スピンの向きの任意回転を可能としている。
【００７６】
１キュビット演算を行うには、まず、主量子ドットＱ０にある電子を補助量子ドットＱ２又はＱ３に遷移させる。その際、演算後における所望のスピンの向きに応じて、補助量子ドットＱ２又はＱ３が選択される。補助量子ドットに遷移された電子は、補助量子ドットに印加されている磁場の方向に応じて、スピンの向きが変化する。その後、補助量子ドットＱ２又はＱ３にある電子を主量子ドットＱ０に遷移させることにより、１キュビット演算が完了する。なお、主量子ドットと補助量子ドットとの間で電子を遷移する際には、πパルスを照射する。
【００７７】
１キュビット演算を可能とするには、補助量子ドットにだけ局所的な磁場を発生させることが必要となる。このためには、例えば図７に示すように、補助量子ドットＱ２，Ｑ３を強磁性体の磁場の間におくことが有効である。これにより、補助量子ドット内部だけに強い磁場を制限することが可能となる。したがって、補助量子ドット以外の場所では電子スピンは磁場の影響を受けて回転する心配はない。なお、磁場を印加する方向はη方向及びξ方向に限られず、直交する任意の組み合わせ、例えばｘ方向及びｙ方向に印加するようにしてもよい。
【００７８】
演算系列の途中、或いは演算系列の最後に各キュビットの状態を観察するには以下のようにすればよい。スピンキュビットの場合、スピンの上向き、下向きを測定する。このためには、１キュビット演算用の補助量子ドットと、観測用の量子ドットとを用いる。
【００７９】
まず、単色スペクトルの第１のπパルス（π1）により、ｘ軸に対して上向きスピンの成分のみを補助量子ドットＱ２に遷移させる（図８（ａ）〜図８（ｂ））。補助量子ドットには磁場が印加されているためゼーマン効果によりエネルギー準位の縮退が解けており、レーザ光の照射により上向き又は下向きのいずれか一方のみが遷移することができる。
【００８０】
次いで、第２のπパルス（π2）により、補助量子ドットＱ２に遷移された上向きスピンの成分を観測量子ドットＱ５に遷移させる（図８（ｃ））。観測量子ドットＱ５は、補助量子ドットＱ２よりも大きく、一旦観測量子ドットＱ５と主量子ドットＱ０に分配された波動関数は、外部環境との相互作用によってもその存在確率は余り変化を受けない。
【００８１】
次いで、観測量子ドットＱ５の分極電荷を単一電子トランジスタＳＥＴで検出する（図８（ｄ））。このとき、単一電子トランジスタＳＥＴにより電子を検出できた場合には主量子ドットＱ０には上向きスピンの電子が存在することが判り、電子を検出できない場合には上向きスピンの電子が存在しないことが判る。こうして、キュビットの状態を観察することができる。
【００８２】
本実施形態による量子回路装置では、電子の検出にＲＦ−ＳＥＴを用いている。ＲＦ−ＳＥＴは、図８に示すように、高周波電源を用い、ＬＣ回路により検出回路を構成する。通常のＳＥＴは、帯域が狭く量子回路全体の高速動作は困難である。一方、ＲＦ−ＳＥＴは広帯域であり高速動作に向いている。したがって、量子回路装置において電子の検出に用いるＳＥＴとしては、ＲＦ−ＳＥＴを用いることが望ましい。なお、ＲＦ−ＳＥＴに関しては、例えば、A.N.Korotkov and M.A.Paalanen, Appl.Phys.Lett., Vol.74, 4052 (1999)等に詳述されている。
【００８３】
なお、補助量子ドットに存在する電子は励起状態にあり、幾分なりとも緩和を受ける可能性がある。緩和により乱れた波動関数は、量子計算のノイズとなる。これを防ぐためには、ホールド状態で一定時間以上演算セルを放置すればよい。
【００８４】
図９は、ノイズを除去する方法を示す。図９（ａ）は、主量子ドットに存在する電子にπパルスを照射し、励起状態に遷移させる工程を示す。
【００８５】
図９（ｂ）は、励起状態に遷移した状態を示す。電子は、演算量子ドットＱ１にほぼ１００％存在する。しかしながら、この状態で緩和を受けると、演算量子ドットＱ１からある成分が主量子ドットＱ０に戻る。
【００８６】
図９（ｃ）は、緩和を受けた結果の波動関数を示す。演算量子ドットＱ１には、９０％の波動関数が存在するが、残りの１０％は、主量子ドットの基底状態に移る。
【００８７】
この状態でπパルスを照射すると、基底状態の成分は励起状態に遷移し、励起状態の成分は基底状態に遷移する。
【００８８】
図９（ｄ）は、遷移後の状態を示す。主量子ドットＱ０の基底状態に９０％の成分が存在し、演算量子ドットＱ１の励起状態に１０％の成分が存在するこの状態で一定時間以上放置する。
【００８９】
図９（ｅ）は、一定時間経過後の状態を示す。緩和機構が働くと、演算量子ドットＱ１の励起状態の成分が主量子ドットＱ０の基底状態に遷移し、１００％の成分が主量子ドットＱ０の基底状態に遷移する。このようにして、緩和によるノイズを除去することができる。
【００９０】
次に、本実施形態による量子回路装置の製造方法について図１０乃至図１６を用いて説明する。なお、図１３乃至図１６は、製造過程において量子回路装置の構成要素を一平面上に射影して示した平面図である。
【００９１】
まず、図示しない半導体基板１上に、例えばＣＶＤ法により、バリア層となる半導体層１１を成長する。
【００９２】
次いで、半導体層１１上に例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層を堆積した後、この絶縁層をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、補助量子ドットＱ３の形成予定領域に開口を有するマスクＭ１１を形成する（図１０（ａ））。
【００９３】
次いで、例えばＣＶＤ法により、マスクＭ１１上には結晶成長せず半導体層１１上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を選択的に成長し、この半導体層よりなる量子ドット１２を形成する。
【００９４】
次いで、例えばウェットエッチングにより、マスクＭ１１をエッチング除去する（図１０（ｂ））。
【００９５】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングすることにより、量子ドット１２を形成することもできる。
【００９６】
次いで、量子ドット１２が形成された半導体層１１上に、磁性体膜を堆積してこれをパターニングし、η方向に細長く延在する磁性体パターン２４を作成する（図１３（ａ））。
【００９７】
なお、磁性体パターン２４は、量子ドット１２を形成する場合と同様の選択成長技術を用いて形成してもよい。また、量子ドットＱ３と磁性体パターン２４の作成順序はいずれが先であってもよい。
【００９８】
次いで、量子ドット１２及び磁性体パターン２４が形成された半導体層１１上に、量子ドット１２及び磁性体パターン２４を覆うように、バリア層となる半導体層１３を成長する（図１０（ｃ））。
【００９９】
次いで、半導体層１３上に例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層を堆積した後、この絶縁層をリソグラフィ及びエッチングによりパターニングし、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９の形成予定領域に開口を有するマスクＭ１２を形成する（図１０（ｄ））。
【０１００】
次いで、例えばＣＶＤ法により、マスクＭ１２上には結晶成長せず半導体層１３上にのみ結晶成長する条件で、開口内に半導体層を選択的に成長し、この半導体層よりなる量子ドット１４を形成する。
【０１０１】
次いで、例えばウェットエッチングにより、マスクＭ１２をエッチング除去する（図１１（ａ）、図１３（ｂ））。
【０１０２】
なお、上述のような選択成長技術を用いる代わりに、量子ドットとなる半導体層を全面に形成した後、リソグラフィ及びエッチングによりパターニングすることにより、量子ドット１４を形成することもできる。
【０１０３】
次いで、量子ドット１４が形成された半導体層１３上に、量子ドット１４を覆うように、バリア層となる半導体層１５を成長する。
【０１０４】
次いで、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すと同様にして、半導体層１５上に、補助量子ドットＱ２としての量子ドット１６、ξ方向に細長く延在する磁性体パターン２５、量子ドット１６及び磁性体パターン２５上を覆うバリア層としての半導体層１７を形成する（図１１（ｂ）、図１４（ａ））。
【０１０５】
なお、磁性体パターン２４，２５を、図７に示すように量子ドットが構成する格子に対して対角線方向に延在させると、磁性体パターンの直上に量子ドットを形成する必要がない。したがって、磁性体パターンをこのように配置することにより、作成がきわめて容易になる。
【０１０６】
次いで、図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すと同様にして、半導体層１７上に、観測量子ドットＱ５としての量子ドット１８及び量子ドット１８上を覆うバリア層としての半導体層１９を形成する（図１１（ｃ））。
【０１０７】
次いで、例えばＣＶＤ法により、半導体層１９上に、例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２０を形成する。
【０１０８】
次いで、絶縁層上に例えばＣＶＤ法により導電膜を堆積してパターニングし、量子ドットＱ５に容量結合された電極２１と、電極２２，２３とを有するＲＦ−ＳＥＴを形成する（図１２（ａ）、図１４（ｂ））。
【０１０９】
次いで、例えばＣＶＤ法により、ＲＦ−ＳＥＴが形成された絶縁層２０上に、例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２６を形成する。
【０１１０】
次いで、リソグラフィ及びエッチングにより絶縁層２６をパターニングし、ＲＦ−ＳＥＴの一方の電極２２に達するビアホール２７を形成する（図１５（ａ））。
【０１１１】
次いで、例えばスパッタ法により導電層を堆積した後にこの導電層をパターニングし、ビアホール２７を介してＲＦ−ＳＥＴの電極２２に電気的に接続されたＶｓ配線２８を形成する（図１５（ｂ））。
【０１１２】
次いで、Ｖｓ配線が形成された絶縁層上に、例えばＣＶＤ法により例えば酸化シリコン層よりなる絶縁層２９を形成する。
【０１１３】
次いで、リソグラフィ及びエッチングにより絶縁層２９，２６をパターニングし、ＲＦ−ＳＥＴの他方の電極２３に達するビアホール３０を形成する（図１６（ａ））。
【０１１４】
次いで、例えばスパッタ法により導電層を堆積した後にこの導電層をパターニングし、ビアホール３０を介してＳＥＴの電極２３に電気的に接続されたＶｄ配線３１を形成する（図１２（ｂ）、図１５（ｂ））。
【０１１５】
２層に分布した磁性体パターン２４，２５を作成した後、ｙ方向に磁場を印加し、磁性体パターンを磁化する。細長い磁性体パターンの場合、長軸方向に沿って磁化が生じる性質を有する。このため、ｙ軸方向の磁場印加に対し、磁性体パターン２４はη方向に、磁性体パターン２５はξ方向に磁化を生じる。
【０１１６】
こうして、図５に示す量子回路装置を製造することができる。
【０１１７】
なお、量子ドット及びバリア層は、図２に示すようなエネルギ準位を画定できるのもであればよいが、良質な結晶を用いることが好ましく、この点から半導体結晶を用いることが望ましい。量子ドット／バリア層となる半導体材料の組み合わせとしては、ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ等を用いることができる。これら材料系を用いる場合、基板としてはＧａＡｓ基板を適用することができる。
【０１１８】
また、磁場が印加される補助量子ドットは、磁場の局在をより有効に働かせるためには、有効時期回転比（ｇ）の大きな材料で形成することが望ましい。ｇ値が大きな材料としては、例えばＧａxＭｎ1-xＡｓ等の希薄磁性半導体が挙げられる。したがって、磁性体パターン２４，２５は、このような材料により構成することが望ましい。
【０１１９】
このように、本実施形態によれば、主量子ドットに隣接して磁場中に置かれた補助量子ドットを配置するので、この補助量子ドットを用いて１キュビット演算を行うことができる。また、補助量子ドットに隣接して観測量子ドットを配置し、観測量子ドットの状態に基づいて主量子ドットにおける分極をＲＦ単一電子トランジスタにより検知するので、主量子ドットの状態を高速に検出することができる。
【０１２０】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１７を用いて説明する。
【０１２１】
図１７は本実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【０１２２】
第２実施形態では、１キュビット演算が可能な量子回路装置において演算セルを２次元格子状に配置した場合を示したが、演算セルを１次元に配置することもできる。演算セルを１次元に配置すると、１つの演算セルに隣接する演算セルが多くとも２つとなるため２キュビット演算の自由度が減少する。しかしながら、各量子ドット及び各磁性体パターンをそれぞれ１回の成膜プロセスにより形成することができるので製造プロセスを大幅に簡略化することができる。
【０１２３】
すなわち、演算セルを１次元（１直線）上に繰り返して配置すると、図１７に示すように、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５、磁性体パターン２４，２５は同一平面上に配置することができる。したがって、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５は、主量子ドットＱ０及び演算量子ドットＱ７，Ｑ９と同時に作成することができる。また、磁性体パターン２４と磁性体パターン２５とは同時に作成することができる。
【０１２４】
なお、図１７に示すパターンの場合、磁性体パターン２４によって補助量子ドットＱ３の両側を挟むことはできないが、磁性体パターン２４の単極側のみを補助量子ドットＱ３に向けることにより、同様の効果を得ることができる。
【０１２５】
このように、本実施形態によれば、主量子ドット、演算量子ドット、補助量子ドット、観測量子ドットを一平面上に配置するので、製造工程をきわめて容易にすることができる。
【０１２６】
［第４実施形態］
本発明の第４実施形態による量子回路装置及びその製造方法について図１８乃至図２０を用いて説明する。
【０１２７】
図１８は本実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図、図１９は本実施形態の他の例による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図、図２０は演算セルを２次元格子状に配列したときのレーザ装置の配置例を示す平面図である。
【０１２８】
前述の通り、本発明による量子回路装置では、演算及びキュビットの観察の際に演算セルにπパルスを照射する。したがって、πパルスを発生するレーザ光源が不可欠である。一方、非対称結合量子ドットの準位間エネルギーは、数1０ｍｅＶから数１００ｍｅＶであり通常のバンド間遷移による半導体レーザでは共鳴が起きない。そこで、本実施形態では、本発明に適用可能なレーザ光源及びレーザ光源の配置方法について説明する。
【０１２９】
本発明の量子回路装置に好適なレーザ光源としては、半導体超格子を用いた量子カスケードレーザや、狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することができる。これら長波長を用いることにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【０１３０】
図１８は、第１又は第３実施形態による量子回路装置上に量子カスケードレーザを積層した構造を示している。すなわち、半導体層４上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる下部導電層４０が形成されている。下部導電層４０上には、例えばＡｌＧａＡｓよりなるバリア層４１と、例えばＧａＡｓよりなる井戸層４２とが多数積層されてなる多重量子井戸層４３が形成されている。多重量子井戸層４３には、例えばＡｌＧａＡｓよりなる電流狭窄層４４が設けられている。多重量子井戸層４３上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる上部導電層４５が形成されている。上部導電層４５上には、例えばＡｕよりなる上部電極４６が形成されている。
【０１３１】
量子カスケードレーザの上部導電層４５と下部導電層４０との間に電圧を印加すると、そのバンド構造は図１８（ｂ）に示すようになる。量子カスケードレーザでは、図１８（ｂ）に示されるように、ある井戸層にある電子が隣接する井戸層にトンネリングしてその井戸層の量子準位に遷移（サブバンド間遷移）する過程で、隣接する井戸層の量子準位のエネルギ差に応じた波長ｈνの光を放出する。このような発光メカニズムによって、多重量子井戸層の各井戸層間で繰り返し波長ｈνの光が放出される。
【０１３２】
ここで、隣接する井戸層の量子準位のエネルギ差は、上部導電層と下部導電層との間に印加する電圧によって変化する。つまり、上部導電層と下部導電層との間に印加する電圧を制御することにより、量子カスケードレーザから放出される光の波長を、非対称結合量子ドットの準位間エネルギーである数1０〜数１００ｍｅＶ程度のエネルギに共鳴する波長に容易に制御することができる。
【０１３３】
図１９は、第１又は第３実施形態による量子回路装置上に狭バンドギャップ半導体レーザを積層した構造を示している。すなわち、半導体層４上には、例えばｎ−ＧａＡｓよりなる下部導電層４０が形成されている。下部導電層４０上には、例えばｎ−ＰｂＳｎＴｅよりなるｎ型半導体層４７と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる下部クラッド層４８と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる量子井戸活性層４９と、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる上部クラッド層５０と、例えばｐ−ＰｂＳｎＴｅよりなるｐ型半導体層５１とが順次積層されてなる素子５２が形成されている。素子層５２には、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる電流狭窄層４４が形成されている。素子層５２上には、例えばＰｂＳｎＴｅよりなる上部導電層４５が形成されている。上部導電層４５上には、例えばＡｕよりなる上部電極４６が形成されている。
【０１３４】
このような量子井戸レーザにおいて、量子井戸活性層４９としてIII-Ｖ族半導体やIV−VI族半導体などの狭バンドギャップ半導体（例えば、ＰｂＳｎＴｅ等）を適用することにより、発振波長が非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する半導体レーザを構成することができる。
【０１３５】
狭バンドギャップ半導体レーザの場合には、量子カスケードレーザのように波長可変ではない。複数の波長の励起光が必要な場合には、量子回路装置上に異なる発光波長を有する狭バンドギャップ半導体レーザを複数積層するようにすればよい。
【０１３６】
なお、上記長波長レーザは、図１に示す第１実施形態による量子回路装置上に、半導体レーザの通常の製造プロセスを経て形成することができる。
【０１３７】
上記いずれの場合も、演算セルが配置する平面から一定距離離れた平面上にレーザ装置を配列することにより、任意のセルを選択的に制御（演算、回転、観測）することができる。この平面は観測用のＳＥＴが配列されている平面と同じ側にあっても反対側にあってもよい。
【０１３８】
この制御用のレーザ光が有効に働くためには、電気双極子遷移が強くなるためにレーザ光の偏波面が非対称結合ドットのドットを結ぶ線上にあることが望ましい。したがって、上記レーザ装置の共振器を設計するにあたっては、偏波面が量子ドットの配列方向とほぼ並行になるような構造をとることが有効である。
【０１３９】
上記レーザ装置は、セルと同じように平面的に配列されているが、レーザ装置は一般的に量子ドットセルよりも物理サイズが大きくなる。したがって、一つのレーザ装置で複数のセルを受け持たせることが必要となることが考えられる。そのような場合には、演算セルとレーザ装置との間に、レーザビームを所望セルに偏向させるための偏光素子、例えばフォトニック結晶を設けることが望ましい。こうすることにより、少数のレーザで多数のセルの演算を制御することができる。なお、フォトニック結晶については、例えば、Susumu Noda et al., Science, July, 2000、Alongkarn Chutinan and Susumu Noda et al., Applied Physics Letters, December, 1999、Susumu Noda et al., Journal of Lightwave Technology, November, 1999、Alongkarn Chutinan and Susumu Noda, Rapid Communications, January, 1998等に記載されている。
【０１４０】
演算セルを２次元格子状に配列した第２実施形態による量子回路装置では、主量子ドットＱ０、演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９が形成された面（ｚ軸に垂直な面）は、図１８，１９に示すレーザ装置の形成面と平行な平面上に形成されている。したがって、主量子ドットと演算量子ドットとの間での電子の遷移に用いるレーザ光源は、図１８，１９に示すレーザ装置と同様のレーザ装置を量子回路装置上に形成すればよい。
【０１４１】
しかしながら、主量子ドットＱ０、補助量子ドットＱ２，Ｑ３、観測量子ドットＱ５が形成された面（ｚ軸に平行な面）は、図１８，１９に示すレーザ装置の形成面とは垂直方向に位置している。したがって、主量子ドットと補助量子ドットとの間及び補助量子ドットと観測量子ドットとの間での電子の遷移には、このレーザ装置を使用するのは困難である。
【０１４２】
したがって、第２実施形態による量子回路装置では、図２０に示すように、複数の演算セル（図示せず）を含むセル領域５３に隣接して、ｘ軸に沿ってセル領域５３方向に向けてレーザ光を照射するレーザ光源５４や、ｙ軸に沿ってセル領域５３方向に向けてレーザ光を照射するレーザ光源５５を形成すればよい。レーザ光源５４，５５としては、図１８，図１９に示すような量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザを適用することができる。なお、主量子ドットＱ０と演算量子ドットＱ６，Ｑ７，Ｑ８，Ｑ９との間での電子の遷移に、レーザ光源５４，５５を用いるようにしてもよい。
【０１４３】
また、セル領域５３とレーザ光源５４，５５との間に、フォトニック結晶などよりなる偏光素子５６とを設け、任意の演算セルにレーザ光を照射できるようにするようにしてもよい。
【０１４４】
このように、本実施形態によれば、電子の遷移に用いるπパルスを発生するレーザ光源として、量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【０１４５】
以上実施形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
【０１４６】
以上詳述したように、本発明による量子回路装置の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【０１４７】
（付記１） 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットとを有することを特徴とする量子回路装置。
【０１４８】
（付記２） 付記１記載の量子回路装置において、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１４９】
（付記３） 付記２記載の量子回路装置において、前記第１の補助量子ドットよりもサイズが大きく、前記第１の補助量子ドットと結合して第５の非対称結合量子ドットを構成する観測量子ドットと、前記観測量子ドットに容量結合され、前記観測量子ドットの状態に基づいて前記主量子ドットにおける分極を検出するＲＦ単一電子トランジスタとを更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１５０】
（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子を更に有することを特徴とする量子回路装置。
【０１５１】
（付記５） 付記４記載の量子回路装置において、前記レーザ素子は、前記非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する波長の光を発する量子カスケードレーザであることを特徴とする量子回路装置。
【０１５２】
（付記６） 付記５記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、少なくとも１つが他の非対称結合量子ドットの準位間隔とは異なる準位間隔を有しており、前記量子カスケードレーザに印加する電圧を制御して発振波長を変化することにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５３】
（付記７） 付記４記載の量子回路装置において、前記レーザ素子は、前記非対称結合量子ドットの準位間隔とほぼ等しいバンドギャップを有する半導体を活性層とする狭バンドギャップ半導体レーザであることを特徴とする量子回路装置。
【０１５４】
（付記８） 付記７記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、少なくとも１つが他の非対称結合量子ドットの準位間隔とは異なる準位間隔を有しており、前記レーザ素子は、発振波長が異なる前記狭バンドギャップ半導体レーザを少なくとも２つ含み、レーザ光を発する前記狭バンドギャップ半導体レーザを換えることにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５５】
（付記９） 付記４乃至８のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記レーザ素子が発するレーザ光の偏光面が、前記非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸に平行であることを特徴とする量子回路装置。
【０１５６】
（付記１０） 付記４乃至９のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記レーザ光の強度は、前記第１及び第２の結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱いことを特徴とする量子回路装置。
【０１５７】
（付記１１） 付記４乃至１０のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットと前記レーザ素子との間に、偏光素子を更に有し、前記偏光素子により、前記レーザ光を照射する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子回路装置。
【０１５８】
（付記１２） 付記１１記載の量子回路装置において、前記偏光素子は、フォトニック結晶により構成されていることを特徴とする量子回路装置。
【０１５９】
（付記１３） 付記１乃至１２のいずれか１項に記載の量子回路装置において、前記非対称結合量子ドットは、ほぼ主量子ドットに局在する基底状態と、主量子ドットにはほぼ存在しない励起状態とを有することを特徴とする量子回路装置。
【０１６０】
（付記１４） 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットとを有することを特徴とする量子回路装置の量子演算方法であって、ほぼ主量子ドットに局在する基底状態と、主量子ドットにはほぼ存在しない励起状態とを有する量子回路を用い、電子のスピンを演算の基底として演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６１】
（付記１５） 付記１４記載の量子演算方法において、前記演算を行うステップは、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットにそれぞれ１個の電子を閉じ込め、前記第１及び第２の演算量子ドットのそれぞれに電子が存在する励起状態で電子間に運動学的な交換相互作用を行わせることにより２ビット演算を行うことを特徴とする量子演算方法。
【０１６２】
（付記１６） 付記１５記載の量子演算方法において、演算後、前記第１及び第２の非対称結合量子ドットを基底状態に設定し、一定時間以上放置することにより、リセットを行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６３】
（付記１７） 付記１４乃至１６のいずれか１項に記載の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記主量子ドットよりサイズが小さく、前記主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有し、電子を前記第１の補助量子ドット又は前記第２の補助量子ドットに遷移させることにより、電子のスピンの向きを回転する１ビット演算を行うステップを含むことを特徴とする量子演算方法。
【０１６４】
（付記１８） 付記１４乃至１７のいずれか１項に記載の量子演算方法において、前記量子回路装置は、前記非対称結合量子ドットにある電子を遷移するためのレーザ光を照射するレーザ素子を更に有し、前記レーザ素子の発光波長を制御することにより、電子を遷移する前記非対称結合量子ドットを選択することを特徴とする量子演算方法。
【０１６５】
（付記１９） 付記１８記載の量子演算方法において、前記レーザ光の強度が、前記第１及び第２の結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱くなるように設定することを特徴とする量子演算方法。
【０１６６】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、サイズの大きい主量子ドットとサイズの小さい演算量子ドットとを含む非対称結合量子ドットにより演算セルを構成し、スリープ状態では交換相互作用の働かない主量子ドットの基底状態に電子をおき、演算を行うときには演算量子ドットの励起状態に電子を遷移し、隣接する演算量子ドット間における交換相互作用によって演算を行うので、比較的安定な動作が可能となる。また、主量子ドットと演算量子ドットとの間の電子の遷移はレーザ光の照射によって行うので、その構成もきわめて容易にすることができる。
【０１６７】
また、主量子ドットに隣接して磁場中に置かれた補助量子ドットを配置することにより、この補助量子ドットを用いて１キュビット演算を行うことができる。
また、補助量子ドットに隣接して観測量子ドットを配置し、観測量子ドットの状態に基づいて主量子ドットにおける分極をＲＦ単一電子トランジスタにより検知するので、主量子ドットの状態を高速に検出することができる。
【０１６８】
また、電子の遷移に用いるπパルスを発生するレーザ光源として、量子カスケードレーザや狭バンドギャップ半導体レーザなどの長波長レーザを適用することにより、本発明による量子回路装置において最適の性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による量子回路装置の原理及び動作を説明するエネルギバンド図である。
【図３】本発明の第１実施形態による量子回路装置に用いるレーザ光の照射条件を説明するエネルギバンド図である。
【図４】本発明の第１実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を概略的に示す斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図及び概略断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の第２実施形態による量子回路装置におけるキュビットの状態の観察方法を説明する図である。
【図９】本発明の第２実施形態による量子回路装置における緩和によるノイズの除去方法を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その１）である。
【図１１】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その２）である。
【図１２】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す工程断面図（その３）である。
【図１３】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その１）である。
【図１４】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その２）である。
【図１５】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その３）である。
【図１６】本発明の第２実施形態による量子回路装置の製造方法を示す平面図（その４）である。
【図１７】本発明の第３実施形態による量子回路装置の構造を示す平面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図である。
【図１９】本発明の第４実施形態の他の例による量子回路装置の構造を示す概略断面図及びエネルギバンド図である。
【図２０】演算セルを２次元格子状に配列したときのレーザ装置の配置例を示す平面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板
２，４…半導体層
３…量子ドット
１１，１３，１５，１７，１９…半導体層
１２，１４，１６，１８…量子ドット
２０，２６，２９…絶縁層
２１，２２，２３…電極
２４，２５…磁性体パターン
２７，３０…ビアホール
２８…Ｖｓ配線
３１…Ｖｄ配線
４０…株導電層
４１…バリア層
４２…量子井戸層
４３…多重量子井戸層
４４…電流狭窄層
４５…上部導電層
４６…上部電極
４７…ｎ型半導体層
４８…下部クラッド層
４９…量子井戸活性層
５０…上部クラッド層
５１…ｐ型半導体層
５２…素子層
５３…セル領域
５４，５５…レーザ装置
５６…偏光素子
Claims (9)
- 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、
前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、
前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、
前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔と共鳴する波長の光を発する量子カスケードレーザである
ことを特徴とする量子回路装置。 - 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、
前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、
前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有し、
前記レーザ素子は、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間隔とほぼ等しいバンドギャップを有する半導体を活性層とする狭バンドギャップ半導体レーザである
ことを特徴とする量子回路装置。 - 請求項１又は２記載の量子回路装置において、
前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、
前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、
前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、
前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンと
を更に有することを特徴とする量子回路装置。 - 請求項３記載の量子回路装置において、
前記第１の補助量子ドットよりもサイズが大きく、前記第１の補助量子ドットと結合して第５の非対称結合量子ドットを構成する観測量子ドットと、
前記観測量子ドットに容量結合され、前記観測量子ドットの状態に基づいて前記第１の主量子ドットにおける分極を検出するＲＦ単一電子トランジスタとを更に有する
ことを特徴とする量子回路装置。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子回路装置において、
前記レーザ素子が発するレーザ光の偏光面が、前記第１の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸並びに前記第２の非対称結合量子ドットの結合間を結ぶ軸に平行である
ことを特徴とする量子回路装置。 - 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子回路装置において、
前記レーザ光の強度は、前記第１及び第２の非対称結合量子ドット間で２電子準位への遷移が生じるエネルギよりも強く、遷移と共に電子のスピンの向きが回転し又は電子が遷移先の量子ドットの励起準位に遷移するエネルギよりも弱い
ことを特徴とする量子回路装置。 - 第１の主量子ドットと、前記第１の主量子ドットよりもサイズが小さい第１の演算量子ドットとが結合した第１の非対称結合量子ドットと、前記第１の主量子ドットから実質的にトンネリング不可能な距離に配置された第２の主量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりもサイズが小さく、前記第１の演算量子ドットからトンネリング可能な距離に配置された第２の演算量子ドットとが結合した第２の非対称結合量子ドットと、前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの準位間エネルギに共鳴する波長のレーザ光を前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットに照射するレーザ素子とを有する量子回路装置の量子演算方法であって、
前記第１及び第２の非対称結合量子ドットにそれぞれ１個の電子を閉じ込め、前記第１及び第２の演算量子ドットのそれぞれに電子が存在する励起状態で電子間に運動学的な交換相互作用を行わせることにより２ビット演算を行うステップを含む
ことを特徴とする量子演算方法。 - 請求項７記載の量子演算方法において、
前記量子回路装置は、前記第１の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第１の主量子ドットと結合して第３の非対称結合量子ドットを構成する第１の補助量子ドットと、前記第２の主量子ドットよりサイズが小さく、前記第２の主量子ドットと結合して第４の非対称結合量子ドットを構成する第２の補助量子ドットと、前記第１の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第１の補助量子ドットに第１の方向の磁場を印加する第１の磁性体パターンと、前記第２の補助量子ドットの近傍に配置され、前記第２の補助量子ドットに前記第１の方向と交わる第２の方向の磁場を印加する第２の磁性体パターンとを更に有し、
電子を前記第１の補助量子ドット又は前記第２の補助量子ドットに遷移させることにより、電子のスピンの向きを回転する１ビット演算を行うステップを含む
ことを特徴とする量子演算方法。 - 請求項７又は８記載の量子演算方法において、
前記量子回路装置は、準位間エネルギが互いに異なる前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの複数の組を有し、前記レーザ素子の発光波長を制御することにより、前記複数の組の中から電子を遷移する前記第１の非対称結合量子ドット及び前記第２の非対称結合量子ドットの組を選択する
ことを特徴とする量子演算方法。
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