JP7679884B2 - Majorana qubits and quantum computers - Google Patents
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Description
本開示は、マヨラナ量子ビット及び量子コンピュータに関する。 This disclosure relates to Majorana qubits and quantum computers.
マヨラナ粒子を用いた量子コンピュータについての研究が行われている。マヨラナ粒子を発生させる技術として、2次元のトポロジカル絶縁体を用いる技術が提案されている。この技術では、トポロジカル絶縁体にs波超伝導体を接触させ、s波超伝導体からクーパー対をトポロジカル絶縁体にトンネリングさせることでマヨラナ粒子を発生させる。 Research is being conducted on quantum computers using Majorana particles. A technique using two-dimensional topological insulators has been proposed as a technique for generating Majorana particles. In this technique, a topological insulator is brought into contact with an s-wave superconductor, and Cooper pairs are tunneled from the s-wave superconductor into the topological insulator to generate Majorana particles.
2次元のトポロジカル絶縁体を用いる従来技術では、トポロジカル絶縁体の電子状態が損なわれ、マヨラナ粒子が発生しないおそれがある。 In conventional technologies that use two-dimensional topological insulators, there is a risk that the electronic state of the topological insulator will be damaged and Majorana particles will not be generated.
本開示の目的は、安定してマヨラナ粒子を発生させることができるマヨラナ量子ビット及び量子コンピュータ提供することにある。 The objective of the present disclosure is to provide a Majorana quantum bit and quantum computer that can stably generate Majorana particles.
本開示の一形態によれば、第1縁を備えた第1トポロジカル絶縁体層と、第1s波超伝導体層と、前記第1縁と前記第1s波超伝導体層との間に設けられ、近接効果による前記第1s波超伝導体層から前記第1縁へのクーパー対の侵入が可能な第1層と、を有するマヨラナ量子ビットが提供される。According to one aspect of the present disclosure, a Majorana quantum bit is provided having a first topological insulator layer having a first edge, a first s-wave superconductor layer, and a first layer disposed between the first edge and the first s-wave superconductor layer, the first layer enabling the penetration of Cooper pairs from the first s-wave superconductor layer to the first edge due to the proximity effect.
本開示によれば、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。 According to the present disclosure, Majorana particles can be generated stably.
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。Hereinafter, the embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration may be denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.
(第1実施形態)
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は、2次元トポロジカル絶縁体を含む量子ビットに関する。図1は、第1実施形態に係る量子ビットを示す上面図である。図2は、第1実施形態に係る量子ビットを示す断面図である。図2は、図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。
First Embodiment
First, a first embodiment will be described. The first embodiment relates to a quantum bit including a two-dimensional topological insulator. FIG. 1 is a top view showing a quantum bit according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a quantum bit according to the first embodiment. FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1.
第1実施形態に係る量子ビット1は、図1及び図2に示すように、トポロジカル絶縁体層10と、s波超伝導体層20と、キャップ層30とを有する。
The
トポロジカル絶縁体層10は縁11を備える。トポロジカル絶縁体層10の材料は2テルル化タングステン(WTe2)である。s波超伝導体層20の材料はNbである。キャップ層30の材料は六方晶窒化ホウ素(h-BN)である。キャップ層30は縁11とs波超伝導体層20との間に設けられている。キャップ層30を介して、近接効果によるs波超伝導体層20から縁11へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、s波超伝導体層20からクーパー対がキャップ層30をトンネリングして縁11に侵入することが可能である。クーパー対が縁11に侵入すると、トポロジカル絶縁体層10はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。キャップ層30はトポロジカル絶縁体層10及びs波超伝導体層20の両方に直接接触する。キャップ層30は第1層の一例である。
The
キャップ層30の材料であるh-BN自体は、6eV程度のバンドギャップを持つ絶縁体である。しかし、キャップ層30が、Nbを材料とするs波超伝導体層20に接触すると、h-BNとNbとの間に化学結合を生じ、h-BNの電子状態は、金属的な電子状態になる。発明者のシミュレーションによると、キャップ層30がs波超伝導体層20に直接接触した場合、Nbとh-BNとの間の最短距離は2.4Å程度である。図3は、Nbに接触したh-BNの状態密度(density of state:DOS)を示す図である。図3に示すように、Nbに接触したh-BNはフェルミ面に状態密度を有しており、クーパー対に対するバリアにはならない。The h-BN itself, which is the material of the
また、発明者のシミュレーションによると、キャップ層30がトポロジカル絶縁体層10に直接接触した場合、WTe2とh-BNとの間の最短距離は3.0Å程度である。このため、キャップ層30とトポロジカル絶縁体層10との間に化学結合が存在せず、キャップ層30がトポロジカル絶縁体層10に物理吸着された状態となっている。キャップ層30とトポロジカル絶縁体層10とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。
Furthermore, according to the inventor's simulation, when the
第1実施形態では、適切なキャップ層30がトポロジカル絶縁体層10の縁11とs波超伝導体層20との間に設けられているため、s波超伝導体層20によるトポロジカル絶縁体層10の電子状態の乱れを抑制することができ、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。なお、第1実施形態では、NbとWTe2との間の最短距離が5.4Å程度である。
In the first embodiment, since an
発生したマヨラナ粒子は、例えば、s波超伝導体層20を地絡又はフロートさせることにより交換することができる。The generated Majorana particles can be replaced, for example, by grounding or floating the s-
ここで、第1実施形態との比較のために、参考例について説明する。図4は、参考例に係る量子ビットを示す上面図である。図5は、参考例に係る量子ビットを示す断面図である。図5は、図4中のV-V線に沿った断面図に相当する。Here, a reference example will be described for comparison with the first embodiment. FIG. 4 is a top view showing a quantum bit according to the reference example. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a quantum bit according to the reference example. FIG. 5 corresponds to a cross-sectional view taken along line V-V in FIG. 4.
参考例に係る量子ビット9は、図4及び図5に示すように、キャップ層30を有しておらず、トポロジカル絶縁体層10の縁11とs波超伝導体層20とが互いに直接接触している。他の構成は第1実施形態と同様である。4 and 5, the
発明者のシミュレーションによると、s波超伝導体層20がトポロジカル絶縁体層10に直接接触した場合、NbとWTe2との間の最短距離は僅かに1.6Å程度であるため、トポロジカル絶縁体層10とs波超伝導体層20との間に化学結合が生じる。この結果、トポロジカル絶縁体層10の電子状態がs波超伝導体層20の影響を受ける。図6は、参考例におけるWTe2のスペクトル重みの強度マップを示す図である。図7は、参考例におけるWTe2及びNbのバンド構造を示す図である。図6は、図7中でWTe2の寄与を重みづけマップとして抜き出したものに対応する。図8は、外部からの影響を受けないWTe2のバンド構造を示す図である。
According to the inventor's simulation, when the s-
図8に示すように、外部からの影響を受けない単体のWTe2では、価電子帯の上端と伝導帯の下端との間のエネルギの差が小さい。このため、この状態であれば、WTe2は安定してトポロジカル絶縁体として機能し得る。ところが、図6及び図7に示すように、NbとWTe2とが互いに直接接触すると、WTe2のバンド構造が乱れてしまう。このため、WTe2がトポロジカル絶縁体として機能できなくなるおそれがある。従って、参考例に係る量子ビット9では、トポロジカル絶縁体層10の電子状態が損なわれ、マヨラナ粒子が発生しないおそれがある。
As shown in FIG. 8, in a single WTe 2 that is not influenced by the outside, the difference in energy between the top of the valence band and the bottom of the conduction band is small. Therefore, in this state, WTe 2 can stably function as a topological insulator. However, as shown in FIG. 6 and FIG. 7, when Nb and WTe 2 are in direct contact with each other, the band structure of WTe 2 is disturbed. For this reason, there is a risk that WTe 2 will not be able to function as a topological insulator. Therefore, in the
これに対し、第1実施形態では、上述のように、適切なキャップ層30が設けられているため、s波超伝導体層20によるトポロジカル絶縁体層10の電子状態の乱れを抑制することができ、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。なお、キャップ層30に代えて、クーパー対に対してバリアとなる層が設けられた場合には、クーパー対がトポロジカル絶縁体層10に侵入できず、マヨラナ粒子を発生させることができない。In contrast, in the first embodiment, as described above, an
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態を応用した、2次元トポロジカル絶縁体を含む量子ビットに関する。図9は、第2実施形態に係る量子ビットを示す斜視図である。図10は、第2実施形態に係る量子ビットを示す上面図である。図11及び図12は、第2実施形態に係る量子ビットを示す断面図である。図11は、図10中のXI-XI線に沿った断面図に相当する。図12は、図10中のXII-XII線に沿った断面図に相当する。
Second Embodiment
Next, a second embodiment will be described. The second embodiment relates to a quantum bit including a two-dimensional topological insulator, which is an application of the first embodiment. FIG. 9 is a perspective view showing a quantum bit according to the second embodiment. FIG. 10 is a top view showing a quantum bit according to the second embodiment. FIGS. 11 and 12 are cross-sectional views showing a quantum bit according to the second embodiment. FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG. 10. FIG. 12 corresponds to a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 10.
第2実施形態に係る量子ビット2は、図9~図12に示すように、基板110と、Y軸方向に延びる下部トポロジカル絶縁体層121と、X軸方向に延びる上部トポロジカル絶縁体層122とを有する。基板110は、例えばアルミナ基板又はサファイア基板等の絶縁基板である。X軸方向及びY軸方向は、基板110の表面に垂直なZ軸方向に直交する方向である。Y軸方向はX軸方向に交差し、例えばX軸方向及びY軸方向は互いに直交する。本開示において、Z軸方向から対象物を見ることを平面視ということがある。Y軸方向は第1方向の一例であり、X軸方向は第2方向の一例である。
As shown in Figures 9 to 12, the
下部トポロジカル絶縁体層121は、例えば2次元トポロジカル絶縁体層であり、Y軸方向に延びる第1縁161及び第3縁163を有する。第1縁161は第3縁163の+X側に位置する。下部トポロジカル絶縁体層121は、単一の2次元トポロジカル絶縁体から構成されていてもよく、複数の2次元トポロジカル絶縁体が積層されて構成されていてもよい。下部トポロジカル絶縁体層121の材料は、例えば2テルル化タングステン(WTe2)である。図示を省略するが、複数の下部トポロジカル絶縁体層121がX軸方向に並んで配置されていてもよい。下部トポロジカル絶縁体層121は第1トポロジカル絶縁体層の一例である。
The lower
上部トポロジカル絶縁体層122は、例えば2次元トポロジカル絶縁体層であり、X軸方向に延びる第2縁162及び第4縁164を有する。第2縁162は第4縁164の+Y側に位置する。上部トポロジカル絶縁体層122は、単一の2次元トポロジカル絶縁体から構成されていてもよく、複数の2次元トポロジカル絶縁体が積層されて構成されていてもよい。上部トポロジカル絶縁体層122の材料は、例えば2テルル化タングステン(WTe2)である。図示を省略するが、複数の上部トポロジカル絶縁体層122がY軸方向に並んで配置されていてもよい。上部トポロジカル絶縁体層122は第2トポロジカル絶縁体層の一例である。
The upper
下部トポロジカル絶縁体層121の下方に複数の下部s波超伝導体層131が設けられている。下部s波超伝導体層131は、第1縁161、第3縁163に沿って設けられている。各下部s波超伝導体層131のY軸方向の端部は、平面視で上部トポロジカル絶縁体層122の第2縁162及び第4縁164から離れている。下部s波超伝導体層131は、例えばNb層である。下部s波超伝導体層131は第1s波超伝導体層の一例である。A plurality of lower s-wave superconductor layers 131 are provided below the lower
各下部s波超伝導体層131の上面にキャップ層151が設けられている。キャップ層151は、下部s波超伝導体層131の上面と、下部トポロジカル絶縁体層121の下面とに直接接触する。キャップ層151は、例えばh-BN層である。h-BN層は、1又は互いに積層された複数のh-BNを含む。キャップ層151は第1縁161又は第3縁163と下部s波超伝導体層131との間に設けられている。キャップ層151と下部トポロジカル絶縁体層121との間に化学結合が存在せず、キャップ層151が下部トポロジカル絶縁体層121に物理吸着された状態となっている。キャップ層151と下部トポロジカル絶縁体層121とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層151を介して、近接効果による下部s波超伝導体層131から第1縁161又は第3縁163へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、下部s波超伝導体層131からクーパー対がキャップ層151をトンネリングして第1縁161又は第3縁163に侵入することが可能である。クーパー対が第1縁161又は第3縁163に侵入すると、下部トポロジカル絶縁体層121はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。キャップ層151は第1層の一例である。A
上部トポロジカル絶縁体層122の下方に複数の上部s波超伝導体層132が設けられている。上部s波超伝導体層132は、第2縁162、第4縁164に沿って設けられている。各上部s波超伝導体層132のX軸方向の端部は、平面視で下部トポロジカル絶縁体層121の第1縁161及び第3縁163から離れている。上部s波超伝導体層132は、例えばNb層である。上部s波超伝導体層132は第2s波超伝導体層の一例である。A plurality of upper s-wave superconductor layers 132 are provided below the upper
各上部s波超伝導体層132の上面にキャップ層152が設けられている。キャップ層152は、上部s波超伝導体層132の上面と、上部トポロジカル絶縁体層122の下面とに直接接触する。キャップ層152は、例えばh-BN層である。h-BN層は、1又は互いに積層された複数のh-BNを含む。キャップ層152は第2縁162又は第4縁164と上部s波超伝導体層132との間に設けられている。キャップ層152と上部トポロジカル絶縁体層122との間に化学結合が存在せず、キャップ層152が上部トポロジカル絶縁体層122に物理吸着された状態となっている。キャップ層152と上部トポロジカル絶縁体層122とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層152を介して、近接効果による上部s波超伝導体層132から第2縁162又は第4縁164へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、上部s波超伝導体層132からクーパー対がキャップ層152をトンネリングして第2縁162又は第4縁164に侵入することが可能である。クーパー対が第2縁162又は第4縁164に侵入すると、上部トポロジカル絶縁体層122はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。キャップ層152は第2層の一例である。A
上部トポロジカル絶縁体層122の上方に複数の上部s波超伝導体層133が設けられている。上部s波超伝導体層133は、第2縁162、第4縁164に沿って設けられている。各上部s波超伝導体層133のX軸方向の端部は、平面視で下部トポロジカル絶縁体層121の第1縁161及び第3縁163から離れている。上部s波超伝導体層133は、例えばNb層である。上部s波超伝導体層133は第2s波超伝導体層の一例である。A plurality of upper s-wave superconductor layers 133 are provided above the upper
各上部s波超伝導体層133の下面にキャップ層153が設けられている。キャップ層153は、上部s波超伝導体層133の下面と、上部トポロジカル絶縁体層122の上面とに直接接触する。キャップ層153は、例えばh-BN層である。h-BN層は、1又は互いに積層された複数のh-BNを含む。キャップ層153は第2縁162又は第4縁164と上部s波超伝導体層133との間に設けられている。キャップ層153と上部トポロジカル絶縁体層122との間に化学結合が存在せず、キャップ層153が上部トポロジカル絶縁体層122に物理吸着された状態となっている。キャップ層153と上部トポロジカル絶縁体層122とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層153を介して、近接効果による上部s波超伝導体層133から第2縁162又は第4縁164へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、上部s波超伝導体層133からクーパー対がキャップ層153をトンネリングして第2縁162又は第4縁164に侵入することが可能である。クーパー対が第2縁162又は第4縁164に侵入すると、上部トポロジカル絶縁体層122はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。キャップ層153は第2層の一例である。A
例えば、平面視で、上部s波超伝導体層133及びキャップ層153は、上部トポロジカル絶縁体層122の下部トポロジカル絶縁体層121と重なる領域に設けられており、上部s波超伝導体層132及びキャップ層152は、下部トポロジカル絶縁体層121から離れた領域に設けられている。For example, in a planar view, the upper s-
下部トポロジカル絶縁体層121と上部トポロジカル絶縁体層122との間に、エッチングストッパ140が設けられている。エッチングストッパ140の材料は、例えばグラフェン又はグラファイトである。エッチングストッパ140の材料がグラファイトである場合、その厚さは薄いほど好ましく、例えば5nm以下であることが好ましい。下部トポロジカル絶縁体層121と上部トポロジカル絶縁体層122との間でマヨラナ粒子がエッチングストッパ140をトンネルするからである。An
上部トポロジカル絶縁体層122の上に複数の磁性電極141が設けられている。磁性電極141は、例えば、平面視で、下部トポロジカル絶縁体層121と上部トポロジカル絶縁体層122とが重なる範囲内で、上部s波超伝導体層133と第2縁162との間と、上部s波超伝導体層133と第4縁164との間とに設けられている。磁性電極141は、上部トポロジカル絶縁体層122及び下部トポロジカル絶縁体層121に及ぶ磁界を生成する。磁性電極141の材料は、例えばFe、Co又はNiである。磁性電極141は第1磁性体層、第2磁性体層の一例である。A plurality of
量子ビット2では、第1縁161の平面視で隣り合う2つの下部s波超伝導体層131の間の部分と、第3縁163の平面視で隣り合う2つの下部s波超伝導体層131の間の部分とに、マヨラナ粒子が存在することができる。そして、例えば、これらマヨラナ粒子が存在することができる部分のうち、第1縁161の第2縁162と重なる部分が第1領域171として機能し、第3縁163の第2縁162と重なる部分が第3領域173として機能する。また、例えば、これらマヨラナ粒子が存在することができる部分のうち、第1縁161の第4縁164と重なる部分が第5領域175として機能し、第3縁163の第4縁164と重なる部分が第7領域177として機能する。In the
同様に、第2縁162の平面視で隣り合う上部s波超伝導体層132と上部s波超伝導体層133と間の部分と、第4縁164の平面視で隣り合う上部s波超伝導体層132と上部s波超伝導体層133と間の部分とに、マヨラナ粒子が存在することができる。そして、例えば、これらマヨラナ粒子が存在することができる部分のうち、第2縁162の第1縁161と重なる部分が第2領域172として機能し、第4縁164の第1縁161と重なる部分が第6領域176として機能する。また、これらマヨラナ粒子が存在することができる部分のうち、第2縁162の第3縁163と重なる部分が第4領域174として機能し、第4縁164の第3縁163と重なる部分が第8領域178として機能する。Similarly, Majorana particles can exist in the portion between the upper s-
第1領域171に存在するマヨラナ粒子と、第2領域172に存在するマヨラナ粒子とは、エッチングストッパ140をトンネル効果で通り抜けることができ、相互作用する。このため、両マヨラナ粒子は単一のマヨラナ粒子とみなすことができる。第3領域173と第4領域174との組、第5領域175と第6領域176との組、第7領域177と第8領域178との組についても、同様である。The Majorana particles present in the
このように、量子ビット2では、下部トポロジカル絶縁体層121に発生するマヨラナ粒子と上部トポロジカル絶縁体層122に発生するマヨラナ粒子とを容易に相互作用させることできる。In this way, in
また、各下部s波超伝導体層131の上面にキャップ層151が設けられ、各上部s波超伝導体層132の上面にキャップ層152が設けられ、各上部s波超伝導体層133の下面にキャップ層153が設けられている。このため、第1実施形態と同様に、下部トポロジカル絶縁体層121及び上部トポロジカル絶縁体層122のそれぞれの電子状態の乱れを抑制することができ、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。発生したマヨラナ粒子は、例えば、s波超伝導体層131~133を地絡又はフロートさせることにより交換することができる。
In addition, a
次に、第2実施形態に係る量子ビット2の製造方法について説明する。図13~図23は、第2実施形態に係る量子ビット2の製造方法を示す上面図である。Next, a method for manufacturing the
まず、図13に示すように、基板110の上にNb層181を形成する。Nb層181は、例えば蒸着法等により形成することができる。First, as shown in Figure 13, a
次いで、図14に示すように、Nb層181の上にh-BN層182を形成する。h-BN層182は、例えば化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法等により形成することができる。14, an h-
その後、図15に示すように、Nb層181及びh-BN層182の積層体を加工することにより、下部s波超伝導体層131及びキャップ層151の積層体と、上部s波超伝導体層132及びキャップ層152の積層体とを形成する(図11、図12参照)。キャップ層151、152は、それぞれ下部s波超伝導体層131、上部s波超伝導体層132に対する保護層として機能することができ、この後の処理において、下部s波超伝導体層131、上部s波超伝導体層132の表面の酸化を抑制することができる。15, the laminate of the
続いて、図16に示すように、基板110の上に、下部s波超伝導体層131及びキャップ層151の積層体と、上部s波超伝導体層132及びキャップ層152の積層体とを覆うようにして2次元トポロジカル絶縁体層121Xを設ける。2次元トポロジカル絶縁体層121Xは、例えば、別途、成長基板(図示せず)の上に成長させ、成長基板から転写することにより設けることができる。16, a two-dimensional
次いで、図17に示すように、2次元トポロジカル絶縁体層121Xを加工することにより、複数の下部トポロジカル絶縁体層121を形成する。2次元トポロジカル絶縁体層121Xの加工では、例えば反応性イオンエッチング(reactive ion etching:RIE)を行う。エッチングガスとしては、例えばフッ化炭素系ガスを用いる。17, the two-dimensional
その後、図18に示すように、基板110の上方に下部トポロジカル絶縁体層121を覆うようにしてエッチングストッパ140Xを設ける。エッチングストッパ140Xは、例えば、別途、成長基板(図示せず)の上に成長させ、成長基板から転写することにより設けることができる。18, an
続いて、図19に示すように、エッチングストッパ140Xの上に2次元トポロジカル絶縁体層122Xを設ける。2次元トポロジカル絶縁体層122Xは、例えば、別途、成長基板(図示せず)の上に成長させ、成長基板から転写することにより設けることができる。19, a two-dimensional
次いで、図20に示すように、2次元トポロジカル絶縁体層122Xを加工することにより、複数の上部トポロジカル絶縁体層122を形成する。2次元トポロジカル絶縁体層122Xの加工では、例えばRIEを行う。エッチングガスとしては、例えばフッ化炭素系ガスを用いる。このとき、下部トポロジカル絶縁体層はエッチングストッパ140Xにより保護される。20, the two-dimensional
その後、図21に示すように、エッチングストッパ140Xを加工することにより、エッチングストッパ140Xの上部トポロジカル絶縁体層122から露出している部分を除去し、下部トポロジカル絶縁体層121と上部トポロジカル絶縁体層122との間にエッチングストッパ140を残す(図11、図12参照)。エッチングストッパ140Xの加工では、例えばRIEを行う。エッチングガスとしては、例えば酸素ガスを用いる。21, the
続いて、図22に示すように、上部トポロジカル絶縁体層122の上にキャップ層153及び上部s波超伝導体層133の積層体を形成する(図11参照)。Next, as shown in FIG. 22, a stack of a
次いで、図23に示すように、上部トポロジカル絶縁体層122の上に複数の磁性電極141を形成する。Next, as shown in FIG. 23, multiple
このようにして、第2実施形態に係る量子ビット2を製造することができる。
In this manner, the
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。第3実施形態は量子ビットの製造方法に関する。図24~図28は、第3実施形態に係る量子ビットの製造方法を示す模式図である。
Third Embodiment
Next, a third embodiment will be described. The third embodiment relates to a method for manufacturing a quantum bit. Figures 24 to 28 are schematic diagrams showing a method for manufacturing a quantum bit according to the third embodiment.
まず、図24に示すように、成長基板41上にh-BN層301を形成し、スライドガラス51に設けた透明ポリマー塊52にh-BN層301を付着させる。First, as shown in FIG. 24, an h-
次いで、図25に示すように、成長基板42上にWTe2層302を形成し、h-BN層301にWTe2層302を付着させる。WTe2層302は、例えばパルスレーザ堆積(pulse laser deposition:PLD)法又は分子線エピタキシー(molecular beam epitaxy)法等により形成することができる。単結晶のWTe2から剥離したWTe2層302を用いてもよい。
25, a WTe 2 layer 302 is formed on the
その後、図26に示すように、成長基板43上にh-BN層303を形成し、WTe2層302にh-BN層303を付着させる。
Thereafter, as shown in FIG. 26, an h-
続いて、図27に示すように、基板44上にs波超伝導体層310を形成し、h-BN層301、WTe2層302及びh-BN層303の積層体をs波超伝導体層310に押し付ける。
27, an s-
次いで、図28に示すように、透明ポリマー塊52をh-BN層301から外す。この結果、h-BN層301、WTe2層302及びh-BN層303の積層体が基板44上に転写される。
28, the
このようにして、s波超伝導体層310と、トポロジカル絶縁体であるWTe2層302との間にh-BN層301が挟まれた量子ビット3を製造することができる。
In this manner, a
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。図29は、第4実施形態に係る量子ビットを示す模式図である。
Fourth Embodiment
Next, a fourth embodiment will be described below. Fig. 29 is a schematic diagram showing a quantum bit according to the fourth embodiment.
第4実施形態に係る量子ビット4は、図29に示すように、平面形状が矩形状のトポロジカル絶縁体層421と、平面形状が矩形状のトポロジカル絶縁体層422とを有する。トポロジカル絶縁体層421の1つの頂点とトポロジカル絶縁体層422の1つの頂点とが繋がっている。トポロジカル絶縁体層421及び422を1つのトポロジカル絶縁体層とみれば、トポロジカル絶縁体層421とトポロジカル絶縁体層422との連結部423にくびれが存在する。29, the
トポロジカル絶縁体層421は、例えば2次元トポロジカル絶縁体層であり、連結部423から延びる第1縁461及び第3縁463を有する。トポロジカル絶縁体層421は、単一の2次元トポロジカル絶縁体から構成されていてもよく、複数の2次元トポロジカル絶縁体が積層されて構成されていてもよい。トポロジカル絶縁体層421の材料は、例えばWTe2である。
The
トポロジカル絶縁体層422は、例えば2次元トポロジカル絶縁体層であり、連結部423から延びる第2縁462及び第4縁464を有する。トポロジカル絶縁体層422は、単一の2次元トポロジカル絶縁体から構成されていてもよく、複数の2次元トポロジカル絶縁体が積層されて構成されていてもよい。トポロジカル絶縁体層422の材料は、例えばWTe2である。
The
トポロジカル絶縁体層421の第1縁461の上方にs波超伝導体層431が設けられている。トポロジカル絶縁体層421の第3縁463の上方にs波超伝導体層433が設けられている。s波超伝導体層431及び433は、例えばNb層である。An s-
s波超伝導体層431の下面にキャップ層451が設けられている。キャップ層451は、s波超伝導体層431の下面と、トポロジカル絶縁体層421の上面とに直接接触する。キャップ層451は、例えばh-BN層である。キャップ層451は第1縁461とs波超伝導体層431との間に設けられている。キャップ層451とトポロジカル絶縁体層421との間に化学結合が存在せず、キャップ層451がトポロジカル絶縁体層421に物理吸着された状態となっている。キャップ層451とトポロジカル絶縁体層421とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層451を介して、近接効果によるs波超伝導体層431から第1縁461へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、s波超伝導体層431からクーパー対がキャップ層451をトンネリングして第1縁461に侵入することが可能である。クーパー対が第1縁461に侵入すると、トポロジカル絶縁体層421はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。A
s波超伝導体層433の下面にキャップ層453が設けられている。キャップ層453は、s波超伝導体層433の下面と、トポロジカル絶縁体層421の上面とに直接接触する。キャップ層453は、例えばh-BN層である。キャップ層453は第3縁463とs波超伝導体層433との間に設けられている。キャップ層453とトポロジカル絶縁体層421との間に化学結合が存在せず、キャップ層453がトポロジカル絶縁体層421に物理吸着された状態となっている。キャップ層453とトポロジカル絶縁体層421とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層453を介して、近接効果によるs波超伝導体層433から第3縁463へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、s波超伝導体層433からクーパー対がキャップ層453をトンネリングして第3縁463に侵入することが可能である。クーパー対が第3縁463に侵入すると、トポロジカル絶縁体層421はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。A
s波超伝導体層432の下面にキャップ層452が設けられている。キャップ層452は、s波超伝導体層432の下面と、トポロジカル絶縁体層422の上面とに直接接触する。キャップ層452は、例えばh-BN層である。キャップ層452は第2縁462とs波超伝導体層432との間に設けられている。キャップ層452とトポロジカル絶縁体層422との間に化学結合が存在せず、キャップ層452がトポロジカル絶縁体層422に物理吸着された状態となっている。キャップ層452とトポロジカル絶縁体層422とは、互いにファンデルワールス結合していてもよい。キャップ層452を介して、近接効果によるs波超伝導体層432から第2縁462へのクーパー対の侵入が可能である。つまり、s波超伝導体層432からクーパー対がキャップ層452をトンネリングして第2縁462に侵入することが可能である。クーパー対が第2縁462に侵入すると、トポロジカル絶縁体層422はトポロジカル超伝導体層として機能するようになる。A
トポロジカル絶縁体層421の上に磁性体層441及び443が設けられている。磁性体層441は、第1縁461の連結部423とは反対側の端部に設けられている。磁性体層443は、第3縁463の連結部423とは反対側の端部に設けられている。平面視で、磁性体層441と連結部423との間にs波超伝導体層431及びキャップ層451の積層体があり、磁性体層443と連結部423との間にs波超伝導体層433及びキャップ層453の積層体がある。磁性体層441及び443は、トポロジカル絶縁体層421に及ぶ磁界を生成する。磁性体層441及び443の材料は、例えばFe、Co又はNiである。
トポロジカル絶縁体層422の上に磁性体層442及び444が設けられている。磁性体層442は、第2縁462の連結部423とは反対側の端部に設けられている。磁性体層444は、第4縁464の上に設けられている。平面視で、磁性体層442と連結部423との間にs波超伝導体層432及びキャップ層452の積層体がある。磁性体層442及び444の材料は、例えばFe、Co又はNiである。
量子ビット4では、第1縁461の平面視で磁性体層441とs波超伝導体層431及びキャップ層451の積層体との間の部分が、マヨラナ粒子が存在することができる第1領域471として機能する。第2縁462の平面視で磁性体層442とs波超伝導体層432及びキャップ層452の積層体との間の部分が、マヨラナ粒子が存在することができる第2領域472として機能する。第3縁463の平面視で磁性体層443とs波超伝導体層433及びキャップ層453の積層体との間の部分が、マヨラナ粒子が存在することができる第3領域473として機能する。更に、連結部423が、マヨラナ粒子が存在することができる第4領域474として機能する。In the
第4実施形態では、s波超伝導体層431の下面にキャップ層451が設けられ、s波超伝導体層432の下面にキャップ層452が設けられ、s波超伝導体層433の下面にキャップ層453が設けられている。このため、第1実施形態と同様に、トポロジカル絶縁体層421及び422のそれぞれの電子状態の乱れを抑制することができ、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。In the fourth embodiment, a
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。第5実施形態は、量子コンピュータに関する。図30は、第5実施形態に係る量子コンピュータを示す図である。
Fifth Embodiment
Next, a fifth embodiment will be described. The fifth embodiment relates to a quantum computer. Fig. 30 is a diagram showing a quantum computer according to the fifth embodiment.
第5実施形態に係る量子コンピュータ5は、汎用コンピュータ501と、制御部502と、量子ビット503とを有する。制御部502は、汎用コンピュータ501からの制御信号に基づいて量子ビット503を制御する。量子ビット503としては、第1~第4実施形態のいずれかに係る量子ビットが用いられる。制御部502及び量子ビット503はクリオスタット504に収納される。
The
量子コンピュータ5により、安定した量子演算を行うことが可能である。
The
なお、本開示において、第1層、すなわち実施形態におけるキャップ層の材料はh-BNに限定されない。第1層の材料がh-BNである場合、第1層の厚さは、好ましくは1nm以下である。In this disclosure, the material of the first layer, i.e., the cap layer in the embodiment, is not limited to h-BN. When the material of the first layer is h-BN, the thickness of the first layer is preferably 1 nm or less.
例えば、第1層がNb2O5層、Nb2O3層、NbO2層等の酸化物層であってもよい。第1層が酸化物層である場合、第1層の厚さは、好ましくは1nm以下である。酸化物層は、s波超伝導体層として用いられるNb層の上に堆積されてもよく、Nb層の酸化により形成されてもよい。Nb層の酸化が行われた場合、Nb層の表面においてO原子により終端化がなされる。 For example, the first layer may be an oxide layer such as a Nb2O5 layer, a Nb2O3 layer, a NbO2 layer, etc. When the first layer is an oxide layer, the thickness of the first layer is preferably 1 nm or less. The oxide layer may be deposited on the Nb layer used as the s-wave superconductor layer, or may be formed by oxidation of the Nb layer. When the Nb layer is oxidized, the surface of the Nb layer is terminated with O atoms.
例えば、第1層がNbN層、TiN層等の窒化物層であってもよい。NbN層は超伝導体として機能するため、比較的厚くてもよい。また、NbN層の一部を第1s波超伝導体層として機能させてもよい。窒化物層は、s波超伝導体層として用いられるNb層の上に堆積されてもよく、Nb層の窒化により形成されてもよく、基板の上に直接形成されてもよい。Nb層の窒化が行われた場合、Nb層の表面においてN原子により終端化がなされる。For example, the first layer may be a nitride layer such as an NbN layer or a TiN layer. The NbN layer may be relatively thick since it functions as a superconductor. Also, a part of the NbN layer may function as the first s-wave superconductor layer. The nitride layer may be deposited on the Nb layer used as the s-wave superconductor layer, may be formed by nitriding the Nb layer, or may be formed directly on the substrate. When the Nb layer is nitrided, the surface of the Nb layer is terminated with N atoms.
例えば、第1層がグラフェン層又はグラファイトであってもよい。第1層がグラフェン層又はグラファイトである場合、第1層の厚さは、好ましくは1nm以下である。グラフェン層又はグラファイトは、s波超伝導体層として用いられるNb層の上に転写等により設けられてもよく、Nb層に炭素(C)を固溶させておき、Cの析出により形成されてもよい。グラフェン層は、1又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。For example, the first layer may be a graphene layer or graphite. When the first layer is a graphene layer or graphite, the thickness of the first layer is preferably 1 nm or less. The graphene layer or graphite may be provided by transfer or the like on the Nb layer used as the s-wave superconductor layer, or may be formed by dissolving carbon (C) in the Nb layer and then precipitating C. The graphene layer includes one or more graphenes stacked together.
例えば、第1層がAu層、Pt層等の常伝導金属層であってもよい。第1層が常伝導金属層である場合、第1層の厚さは、好ましくは5nm以下である。常伝導金属層は、s波超伝導体層として用いられるNb層の上に堆積されてもよい。For example, the first layer may be a normal metal layer such as an Au layer, a Pt layer, etc. When the first layer is a normal metal layer, the thickness of the first layer is preferably 5 nm or less. The normal metal layer may be deposited on a Nb layer used as an s-wave superconductor layer.
第1層がこれらの複数種類を組み合わせて含んでいてもよい。The first layer may contain a combination of these types.
また、第1トポロジカル絶縁体層は2次元トポロジカル絶縁体層に限定されず、高次トポロジカル絶縁体層であってもよい。図31は、高次トポロジカル絶縁体層を含む量子ビットを示す模式図である。 In addition, the first topological insulator layer is not limited to a two-dimensional topological insulator layer, but may be a higher-order topological insulator layer. Figure 31 is a schematic diagram showing a quantum bit including a higher-order topological insulator layer.
図31に示す量子ビット6は、直方体状の高次トポロジカル絶縁体層610と、s波超伝導体層620と、キャップ層630と、磁性体層640とを有する。キャップ層630が高次トポロジカル絶縁体層610の一部を覆い、s波超伝導体層620がキャップ層630を覆う。キャップ層630は高次トポロジカル絶縁体層610及びs波超伝導体層620に直接接触する。高次トポロジカル絶縁体層610、s波超伝導体層620、キャップ層630の材料は、例えば、WTe2、Nb、h-BNである。磁性体層640はキャップ層630から離れて高次トポロジカル絶縁体層610の一部を覆う。高次トポロジカル絶縁体層610のキャップ層630と磁性体層640との間の部分で、対角に位置する2つのヒンジ(稜線)にマヨラナ粒子が存在することができる。
The
量子ビット6においても、s波超伝導体層620と高次トポロジカル絶縁体層610との間に適切なキャップ層630が設けられているため、高次トポロジカル絶縁体層610の電子状態の乱れを抑制することができ、安定してマヨラナ粒子を発生させることができる。In the
また、トポロジカル絶縁体層の材料はWTe2に限定されない。例えば、他のトポロジカル絶縁体又はワイル半金属等がトポロジカル絶縁体層の材料に用いられてもよい。 In addition, the material of the topological insulator layer is not limited to WTe2 . For example, other topological insulators or Weyl semimetals may be used as the material of the topological insulator layer.
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the claims.
1、2、3、4、6:量子ビット
5:量子コンピュータ
10、121、122、421、422:トポロジカル絶縁体層
11、161、162、163、164、461、462、463、464:縁
20、131、132、133、310、431、432、433、620:s波超伝導体層
30、151、152、153、451、452、453、630:キャップ層
141:磁性電極
301、303:h-BN層
302:WTe2層
441、442、443、444、640:磁性体層
610:高次トポロジカル絶縁体層
1, 2, 3, 4, 6: qubit 5:
Claims (13)
第1s波超伝導体層と、
前記第1縁と前記第1s波超伝導体層との間に設けられ、近接効果による前記第1s波超伝導体層から前記第1縁へのクーパー対の侵入が可能な第1層と、
を有することを特徴とするマヨラナ量子ビット。 a first topological insulator layer having a first edge;
a first s-wave superconductor layer;
a first layer provided between the first edge and the first s-wave superconductor layer, the first layer allowing Cooper pairs to penetrate from the first s-wave superconductor layer to the first edge by a proximity effect;
A Majorana quantum bit comprising:
第2縁を備え、前記第1方向と交差する第2方向に延びる第2トポロジカル絶縁体層と、
第2s波超伝導体層と、
前記第2縁と前記第2s波超伝導体層との間に設けられ、近接効果による前記第2s波超伝導体層から前記第2縁へのクーパー対の侵入が可能な第2層と、
を有し、
前記第1トポロジカル絶縁体層は、前記第1縁の平面視で前記第2縁と重なる部分に、マヨラナ粒子が存在することができる第1領域を含み、
前記第2トポロジカル絶縁体層は、前記第2縁の平面視で前記第1縁と重なる部分に、マヨラナ粒子が存在することができる第2領域を含み、
前記第1領域のマヨラナ粒子と前記第2領域のマヨラナ粒子とが交換可能であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のマヨラナ量子ビット。 the first topological insulator layer extends in a first direction;
a second topological insulator layer having a second edge and extending in a second direction intersecting the first direction;
a second s-wave superconductor layer; and
a second layer provided between the second edge and the second s-wave superconductor layer, the second layer allowing Cooper pairs to penetrate from the second s-wave superconductor layer to the second edge by a proximity effect;
having
the first topological insulator layer includes a first region in which a Majorana particle can exist, in a portion of the first edge that overlaps with the second edge in a plan view;
the second topological insulator layer includes a second region in which a Majorana particle can exist, in a portion of the second edge that overlaps with the first edge in a plan view;
7. The Majorana quantum bit according to claim 1, wherein the Majorana fermions in the first region and the Majorana fermions in the second region are exchangeable.
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