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WO2025191645A1 - Quantum device, spin exchange method, and quantum error correction device - Google Patents

Quantum device, spin exchange method, and quantum error correction device

Info

Publication number
WO2025191645A1
WO2025191645A1 PCT/JP2024/009339 JP2024009339W WO2025191645A1 WO 2025191645 A1 WO2025191645 A1 WO 2025191645A1 JP 2024009339 W JP2024009339 W JP 2024009339W WO 2025191645 A1 WO2025191645 A1 WO 2025191645A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
quantum
qubit
units
electron
electron coupler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/JP2024/009339
Other languages
French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
ミゲル オチョア ルーベン
マーティンス フレデリコ
メティック ノーマン
スミス チャールズ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to PCT/JP2024/009339 priority Critical patent/WO2025191645A1/en
Publication of WO2025191645A1 publication Critical patent/WO2025191645A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06NCOMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
    • G06N10/00Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
    • G06N10/40Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control

Definitions

  • This disclosure relates to quantum devices, spin exchange methods, and quantum error correction devices.
  • Quantum devices fabricated from semiconductor materials have been extensively studied over the past 50 years. As the performance of these devices has improved, a number of quantum effects have been discovered that are fundamental to qubit devices that utilize quantum dot-based spin qubits, including ballistic quantization of quantum point contacts, Coulomb blockade, and spin blockade.
  • quantum error correction codes By scaling up qubit devices that use the above quantum effects and semiconductor logic devices, it becomes possible to build a quantum computer. Compared to ordinary (classical) calculations, quantum calculations performed on quantum computers are prone to memory errors due to decoherence and reliable gate operation is difficult, making error correction important. According to quantum error correction theory, the use of quantum error correction codes (referred to as "surface codes" in this disclosure) can reduce the probability of errors in calculation results as the amount of calculation increases.
  • Surface codes are a type of topological quantum error-correcting code defined on a two-dimensional manifold.
  • a "data qubit” that actually carries the data and a "measurement qubit” that is used to check whether an error has occurred in the data qubit are placed side by side. Errors in the data qubit can be corrected by analyzing the information obtained from the measurement qubit using an external classical computer, etc.
  • the reason for observing the adjacent measurement qubit rather than the data qubit is that quantum states such as superposition disappear when the data qubit is observed directly.
  • Non-Patent Document 1 describes a technique in which "a large 2D array of qubits is used to assign qubits as data qubits or surface code auxiliary qubits in a checkerboard pattern, and a surface code can be realized by performing single-qubit operations and nearest-neighbor two-qubit operations.”
  • Spiderweb Array A Sparse Spin-Qubit Array. Physical Review Applied 18, 024053 (2022)
  • Non-Patent Document 1 describes a method for realizing surface codes using so-called quantum bit shuttling. More specifically, in the method described in Non-Patent Document 1, in a two-dimensional array structure in which a large number of empty quantum dots are arranged between quantum bits, the quantum bits are moved to specific regions of the array, where operations such as calculations and readouts are carried out.
  • qubit units containing one or more qubits, qubit sensors, etc. are coupled by some kind of coupling unit (or junction element). Quantum information can be communicated between different qubit units via this coupling unit.
  • Non-Patent Document 1 do not consider surface coding methods that take into account the wiring on semiconductor structures and the layout of classical electronic devices, and that are capable of suppressing crosstalk between quantum bits that are coupled by coupling portions.
  • the present disclosure therefore aims to provide a quantum device, spin exchange method, and quantum error correction device that can suppress crosstalk between quantum bits coupled by coupling portions, while taking into account the wiring on semiconductor structures and the layout of classical electronic devices.
  • a representative quantum device of the present invention is a quantum device comprising a set of quantum bit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units, wherein each of the quantum bit units in the set of quantum bit units comprises: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer and inducing a potential in the semiconductor channel; and a set of quantum dots formed in the semiconductor channel along a direction of imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler; and the three-way multi-electron coupler comprises a plunger gate configured to perform spin exchange between any two of the set of quantum bit units by interacting with the set of gate electrodes of each of the quantum bit units.
  • a representative spin exchange method of the present invention is a spin exchange method implemented in a quantum device comprising a set of quantum bit units, a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units, and a control unit electrically connected to the set of quantum bit units and the three-way multi-electron coupler, wherein in the quantum device, each of the quantum bit units in the set of quantum bit units comprises: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer and inducing a potential in the semiconductor channel; and a set of quantum dots disposed in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler; and the three-way multi-electron coupler comprises a plunger gate configured to perform spin exchange between any two of the set of quantum bit units by inter
  • a representative quantum error correction device of the present invention is a quantum error correction device consisting of a plurality of composite quantum cells arranged in an NxM grid, each composite quantum cell including a first elementary quantum cell and a second elementary quantum cell coupled by a 0th multi-electron coupler, each of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell including a first set of quantum bit units, a first multi-electron coupler connected to the first set of quantum bit units, a second set of quantum bit units, and a second multi-electron coupler connected to the second set of quantum bit units, and the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler are coupled via a central quantum bit unit shared by the first set of quantum bit units and the second set of quantum bit units.
  • FIG. 1 is a top view of a semiconductor structure of a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a quantum bit unit in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a gate electrode in a semiconductor structure of a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method implemented in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a spin exchange method in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of an elementary quantum cell included in a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a surface code topology configuration according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method implemented in a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the first modification of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the second modification of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to a third modification of the present disclosure.
  • the present disclosure relates to providing quantum devices, spin-swapping methods, and quantum error correction apparatus that can suppress crosstalk between qubits coupled by couplings, taking into account the layout of wiring on semiconductor structures and classical electronics.
  • one quantum device has a semiconductor structure that uses a three-way multi-electron coupler (MEC).
  • the three-way multi-electron coupler may be connected to three quantum bit units.
  • a PSWAP operation can be performed, in which any two of the three quantum bit units exchange spins.
  • by linking two quantum devices each consisting of a set of quantum bit units connected by a three-way multi-electron coupler four-way quantum information communication becomes possible, and a two-dimensional quantum bit structure that realizes surface coding can be constructed while keeping wiring density low.
  • a three-way multi-electron coupler to ensure that the distance between the quantum bit units is at least a certain distance, crosstalk between quantum bits can be suppressed.
  • FIG. 1 is a top view of a semiconductor structure 15 of a quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the semiconductor structure 15 of the quantum device according to an embodiment of the present disclosure mainly includes three quantum bit units QU1, QU2, and QU3, and a three-way multi-electron coupler 12 connected to each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • a plurality of gate electrodes G are formed in the semiconductor structure 15 for controlling the voltages of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 and the three-way multi-electron coupler 12.
  • the gate electrode G may include various types of gate electrodes such as a barrier gate, a plunger gate, a confinement gate, etc. Each gate electrode will be described below, but when there is no need to particularly distinguish between them, they will be collectively referred to as "gate electrode G." Although not shown in Figures 1 to 3, the gate electrode G may be connected to a control unit 78 (see Figure 7) that supplies a voltage using, for example, a multiplexing system.
  • the three-way multi-electron coupler 12 (sometimes referred to as "MEC" in the drawings) is an electron coupler for communicating quantum information (e.g., spin, etc.) between multiple quantum bit units. As shown in FIG. 1 , the three-way multi-electron coupler 12 is connected to each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. In one embodiment, the three-way multi-electron coupler 12 may separate the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance (second distance) greater than the distance (first distance) between adjacent barrier gates in a single quantum bit unit. This makes it possible to suppress crosstalk between the quantum bit units.
  • three-way multi-electron coupler 12 may have a width of 100 to 500 nm, which separates quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance of 200 nm or more, thereby suppressing crosstalk between the quantum bit units.
  • the drawings show a circular three-way multi-electron coupler 12 as an example, but the shape and dimensions of the three-way multi-electron coupler 12 are not particularly limited and may be freely set depending on the application form of the quantum device 10.
  • the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 are computing elements for performing quantum computation. As shown in FIG. 1 , in one embodiment, the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 may be arranged at positions separated from one another by 110 to 130 degrees (e.g., 120 degrees). Also, as shown in FIG. 1 , each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 includes a plurality of quantum dots arranged along the direction of an imaginary wiring passing through the center point of the three-way multi-electron coupler 12, and a quantum dot sensor arranged adjacent to the quantum dots to measure the state of the quantum dot (e.g., spin up, spin down).
  • a quantum dot sensor arranged adjacent to the quantum dots to measure the state of the quantum dot (e.g., spin up, spin down).
  • quantum bit unit QU1 includes quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and a quantum dot sensor QU1QDS.
  • Quantum bit unit QU2 includes quantum dots QU2QD1 and QU2QD2 and a quantum dot sensor QU2QDS.
  • Quantum bit unit QU3 includes quantum dots QU3QD1 and QU3QD2 and a quantum dot sensor QU3QDS.
  • quantum dots will be collectively referred to as “quantum dot QDs” and quantum dot sensors will be collectively referred to as “quantum dot sensors QDSs.”
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a quantum bit unit in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • 2A is a top view of a single quantum bit unit QU1 in a quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and a quantum dot sensor QU1QDS are arranged in the quantum bit unit QU1.
  • the quantum dot sensor QU1QDS is configured to measure the quantum states of the quantum dots QU1QD1 and QU1QD2.
  • charged regions C1, C2, and C3 black regions in FIG. 2A ) are formed in the quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and the quantum dot sensor QU1QDS by a voltage applied to a gate electrode G.
  • the quantum device 10 is mainly composed of an insulating layer 1 made of an oxide and a semiconductor layer 3 disposed below the insulating layer 1.
  • the semiconductor layer 3 may be made of, for example, Si, Ge, As, Ga, In, Sb, or a combination of these materials.
  • quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 of the quantum bit unit QU1 and quantum dots QU2QD1 and QU2QD2 of the quantum bit unit QU2 are formed on both sides of the three-way multi-electron coupler 12.
  • the semiconductor layer 3 may include a plurality of ohmic regions O as ohmic contacts that form electrical contact and have low electrical resistance. Furthermore, a semiconductor channel 3s is formed between the plurality of ohmic regions O. This semiconductor channel 3s is a conductive path for passing a current and generating a potential in the semiconductor layer 3.
  • the ohmic regions may be specified as "ohmic regions OAX, OBX, OCX" or the like in order to distinguish the positions, etc. of the ohmic regions. However, when there is no need to particularly distinguish between the ohmic regions, they will be collectively referred to as "ohmic region O.”
  • barrier gates are provided in the insulating layer 1 of the quantum device 10 as gate electrodes G for controlling the electrostatic potential in the semiconductor layer 3.
  • These gate electrodes may be connected to a control unit that supplies voltage using a multiplexing system (not shown). Furthermore, by supplying a voltage to these gate electrodes G, a potential 7 can be generated in the semiconductor layer 3 .
  • a microwave antenna or a micromagnet may be disposed above the gate electrode G. By disposing the microwave antenna or the micromagnet, a time-dependent magnetic field can be generated to control the spin of electrons.
  • FIG. 2C is a diagram showing the waveform of the potential 7 generated in the quantum dot QD of a single quantum bit unit QU1 in the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • a quantum dot QD for confining a single electron is formed in the semiconductor channel 3s.
  • the quantum dot QD that confines a single electron can be used as a quantum bit for performing quantum computation.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating gate electrodes in the semiconductor structure 15 of the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the semiconductor structure 15 of the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure has multiple gate electrodes GA1-GA10 formed therein for controlling the voltages of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 (not shown in FIG. 3 for ease of explanation) and the three-way multi-electron coupler 12 (not shown in FIG. 3 for ease of explanation).
  • Plunger gate GA1 for three-way multi-electron coupler 12; a confinement gate GA2a for the three-way multi-electron coupler 12 and the quantum bit unit QU1; a confinement gate GA2b for the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit unit QU2; a confinement gate GA2c for the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit unit QU3; Barrier gates GA3a, GA5a, and GA7a for quantum bit unit QU1, Barrier gates GA3b, GA5b, and GA7b for quantum bit unit QU2, Barrier gates GA3c, GA5c, and GA7c for quantum bit unit QU3; Plunger gates GA4a and GA6a for quantum bit unit QU1, P
  • a confinement potential can be generated in the semiconductor layer 3 of the semiconductor structure 15 to confine a single electron to each quantum dot QD of each quantum bit unit QU1, QU2, and QU3.
  • the electrons to be confined to the quantum dot QD may be attracted, for example, from each of the ohmic regions OA1, OA2, OA3, OA4, OA5, and OA6 provided in the semiconductor structure 15.
  • a binding potential is formed in the three-way multi-electron coupler 12, and by applying a voltage to gate electrodes GA3 to GA10, a binding potential can be formed in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1, and QU3QD2 and the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS.
  • electrons confined in the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS are attracted from the ohmic regions OA2, OA4, and OA6, and electrons confined in the three-way multi-electron coupler 12 and quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1, and QU3QD2 are attracted from the ohmic regions OA1, OA3, and OA5.
  • the three-way multi-electron coupler 12 may separate the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance d2 (second distance) that is greater than the distance d1 (first distance) between adjacent barrier gates in a single quantum bit unit, thereby suppressing crosstalk between the quantum bit units.
  • step S41 the control unit connected to the gate electrodes (see Figure 7, etc.) supplies a voltage to each gate electrode G in the quantum error correction device.
  • step S42 the control unit applies a predetermined voltage to the barrier gates GA8 to GA10 and plunger gate GA9 shown in Figures 1 and 3, thereby attracting electrons from the ohmic regions O2, O4, and O6 and confining a single electron in each of the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • step S43 the control unit applies a predetermined voltage to the plunger gates GA1, GA4, GA6 and the barrier gates GA3, GA5, GA7 shown in Figures 1 and 3, thereby attracting electrons from the ohmic regions OA1, OA3, OA5 shown in Figure 3, accumulating an even number of electrons in the three-way multi-electron coupler 12, and confining a single electron in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1 of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • the reason why an even number of electrons are stored in the three-way multi-electron coupler 12 is that the sum of the electron spins becomes "0".
  • a predetermined electron shuttling technique may be used to confine a single electron in each of the three-way multi-electron coupler 12 and the quantum dot QD of the quantum bit unit QU.
  • step S44 the control unit uses the quantum dot sensor QDS initialized in step S42 to confirm that an even number of electrons have been accumulated in the three-way multi-electron coupler 12 and that a single electron is confined in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, and QU3QD1 of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • step S43 If an even number of electrons have not been accumulated in the three-way multi-electron coupler 12 or if a single electron is not confined in any of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, Q2QD1, Q2QD2, and Q3QD1, this process may be repeated by returning to step S43. In this way, the charge amounts of the three-way multi-electron coupler 12, the quantum dot sensor QDS, and the quantum dot QD in the quantum device 10 can be adjusted to bring the quantum device 10 into a state where quantum computing is possible.
  • the use of the three-way multi-electron coupler 12 makes it possible to individually adjust the charge amounts of the quantum dot sensor and the quantum dots, thereby suppressing crosstalk between quantum dots and bringing the quantum device 10 into a state where quantum computation is possible.
  • quantum computation can be performed in each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 using the quantum device 10.
  • the quantum computation in each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 can be performed, for example, by the following operations.
  • Initialization First, the quantum bit unit QU is initialized to a singlet state using the plunger gate of the quantum bit unit, and then the voltage applied to the plunger gates GA4 and GA6 is increased.
  • Single-qubit operation Tuning the spin frequency of a quantum dot to drive the rotation of a single qubit.
  • Two-qubit operations using the barrier gate of the qubit unit to perform so-called CPHASE, CNOT, or PSWAP operations, where the barrier gate may be used in combination with a microwave drive.
  • Readout The qubit state is read out by measuring the Pauli spin blockade using the qubit unit plunger gate.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a spin exchange method 50 in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the spin exchange method 50 in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure is a method for exchanging spins between any two of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 using the three-way multi-electron coupler 12 described above.
  • step S51 the control unit applies a predetermined voltage to each gate electrode G so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 is in a rest state lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • the quantum dot QU1D1 of the quantum bit unit QU1 is in an upward state
  • the quantum dot QU3D1 of the quantum bit unit QU3 is in a downward state.
  • the control unit applies a predetermined voltage (first voltage) to the plunger gate GA1 of the three-way multi-electron coupler 12 so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 satisfies a predetermined resonance condition with respect to the two quantum bit units (here, quantum bit unit QU1 and quantum bit unit QU3) that are the subject of spin exchange.
  • the resonance condition here may be, for example, a range of energy levels that is specified so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 has a predetermined resonance strength with respect to the two quantum bit units that are the subject of spin exchange.
  • the control unit applies a predetermined voltage (second voltage) to the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units (here, quantum bit unit QU1 and quantum bit unit QU3) that are the subject of spin exchange, so that the barrier gates GA3a and GA3c satisfy a predetermined opening condition.
  • the opening condition here is a criterion that specifies that the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are opened, and Heisenberg exchange becomes possible between the two quantum bit units via the three-way multi-electron coupler 12.
  • the control unit applies a predetermined voltage (third voltage) to the barrier gate GA3b of a quantum bit unit other than the two quantum bit units that are the subject of spin exchange (here, quantum bit unit QU2) so that the barrier gate GA3b satisfies a predetermined closing condition.
  • the closing condition is a criterion that stipulates that the barrier gates GA3b of the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are closed and Heisenberg exchange cannot occur.
  • the control unit applies the first voltage, the second voltage, and the third voltage to the plunger gate GA1 and the barrier gates GA3a, GA3b, and GA3c for a predetermined application time t PSWAP , thereby causing Heisenberg exchange between the quantum bit unit QU1 and the quantum bit unit QU3, as shown by the arrows in FIG. 5B, and exchanging the spin states.
  • the up-state spin of the quantum dot QU1D1 in the quantum bit unit QU1 and the down-state spin of the quantum dot QU3D1 in the quantum bit unit QU3 are exchanged with each other. Meanwhile, the spin state of the quantum dot in the quantum bit unit QU2 remains unchanged.
  • the rotation phase of the spin exchange can be controlled by adjusting the voltage application time t PSWAP and the barrier heights of the barrier gates GA3a and GA3c.
  • the control unit applies a predetermined voltage to each gate electrode G so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 returns to a rest state that is lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • quantum dot QU1D1 in quantum bit unit QU1 is in a downward state
  • quantum dot QU3D1 in quantum bit unit QU3 is in an upward state.
  • Figure 5D shows the potential waveforms at the plunger gate GA1 of the three-way multi-electron coupler 12 and the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units QU1 and QU3 that are the target of spin exchange, in each of the above-mentioned steps S51 to S53.
  • step S51 the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 reaches a stationary state lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • step S502 the up-spin state of quantum dot QU1D1 in quantum bit unit QU1 and the down-spin state of quantum dot QU3D1 in quantum bit unit QU3 are exchanged with each other.
  • step S503 the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit units QU1, Q2, and QU3 return to a stationary state.
  • the spin exchange method 50 may be implemented by a PSWAP operation (Power of Swap Operation).
  • PSWAP operation Power of Swap Operation
  • the exchange interaction can be expressed as the Heisenberg Hamiltonian shown below:
  • represents coupling strength.
  • the coupling strength ⁇ in the three-way multi-electron coupler 12 can be controlled by the barrier gate of the three-way multi-electron coupler 12, and the coupling strength ⁇ in the quantum bit unit can be controlled by the barrier gate of the quantum bit unit.
  • the Hamiltonian can be expressed by the following matrix: This defines the following time evolution operator:
  • spin exchange method 50 by using the three-way multi-electron coupler 12, spins can be exchanged between any two of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
  • this spin exchange method 500 when spin exchange is performed between two quantum bit units that are the subject of spin exchange, the barrier gates of quantum bit units other than the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are closed, so the spin state does not change. This makes it possible to communicate quantum information between any two quantum bit units while suppressing crosstalk between quantum bits. Furthermore, as will be described later, this configuration makes it possible to construct a two-dimensional quantum bit structure that realizes surface codes.
  • Quantum error correction device Next, the configuration of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS.
  • surface codes are used to correct errors caused by decoherence and other factors in quantum computations performed on quantum computers.
  • Surface codes are a type of topological quantum error-correcting code defined on a two-dimensional manifold, and generally consist of a two-dimensional quantum bit structure. Below, we explain the architectural configuration of a quantum error-correcting device for realizing surface codes.
  • a quantum error correction device is composed of multiple composite quantum cells arranged in an NxM grid.
  • Each composite quantum cell is composed of two elementary quantum cells coupled by a multi-electron coupler.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of an elementary quantum cell 60 included in a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the elementary quantum cell 60 according to an embodiment of the present disclosure has a configuration in which two quantum devices 10 described with reference to FIGS. 1 to 3 are coupled via a quantum bit unit.
  • basic quantum cell 60 includes first quantum device 10-1 consisting of quantum bit units QU1 and QU2 connected to first three-way multi-electron coupler 12-1, and second quantum device 10-2 consisting of quantum bit units QU3 and QU4 connected to second three-way multi-electron coupler 12-2.
  • First quantum device 10-1 and second quantum device 10-2 are coupled via central quantum bit unit CQU. Note that the first quantum device 10-1 and the second quantum device 10-2 have substantially the same configuration as the quantum device 10 described with reference to Figures 1 to 3, and therefore, for the sake of convenience, duplicated explanations will be omitted here.
  • a plunger gate GB1 for the first three-way multi-electron coupler 12-1 and the second three-way multi-electron coupler 12-2; a first three-way multi-electron coupler 12-1 and a second three-way multi-electron coupler 12-2, and a confinement gate GB2 for quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4; a barrier gate GB3 separating the quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4 from the first three-way multi-electron coupler 12-1 and the second three-way multi-electron coupler 12-2; Barrier gate GB4 for quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4; Plunger gate GB5 for quantum bit units QU1,
  • the electrons confined in the quantum dots of the quantum bit units QU1, QU2, QU3, QU4, and CQU may be attracted, for example, from each of the ohmic regions OB1 to OB14 provided in the basic quantum cell 60.
  • the central quantum bit unit CQU is connected to four quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4 via a first three-way multi-electron coupler 12-1 and a second three-way multi-electron coupler 12-2.
  • a first three-way multi-electron coupler 12-1 and a second three-way multi-electron coupler 12-2.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of a composite quantum cell 75 constituting a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • the composite quantum cell 75 according to the embodiment of the present disclosure has a configuration in which two elementary quantum cells 60 described with reference to FIG. 6 are coupled via a two-way multi-electron coupler.
  • the composite quantum cell 75 includes a first elementary quantum cell 60-1 and a second elementary quantum cell 60-2, which are connected to each other via a two-way multi-electron coupler 76.
  • the central quantum bit unit CQU2 in the second basic quantum cell 60-2 functions as a "data quantum bit” that actually carries quantum data
  • the central quantum bit unit CQU1 in the first basic quantum cell 60-1 functions as a "measurement quantum bit” that is used to confirm whether an error has occurred in the central quantum bit unit CQU2.
  • the first elementary quantum cell 60-1 and the second elementary quantum cell 60-2 have substantially the same configuration as the elementary quantum cell 60 described with reference to FIG. 6, and therefore, for the sake of convenience, a duplicated description will be omitted here.
  • a control region 77 is defined by multiple composite quantum cells for arranging electronic components such as a control unit 78 for supplying voltage to the quantum bit units included in each of the basic quantum cells. Furthermore, this control region 77 may also be provided with ohmic regions OC1 to OC13 (second ohmic regions) for attracting electrons for the quantum dot sensors of the quantum bit units included in each of the basic quantum cells.
  • a two-dimensional quantum bit structure for realizing surface codes can be constructed by combining multiple composite quantum cells in which two basic quantum cells 60 are coupled via a two-way multi-electron coupler.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a quantum error correction device 80 according to an embodiment of the present disclosure.
  • the quantum error correction device 80 according to an embodiment of the present disclosure is composed of multiple composite quantum cells arranged in an NxM grid.
  • each of composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 may be coupled via two-way multi-electron coupling.
  • the central quantum bit unit (a quantum bit unit that functions as a data quantum bit or a measurement quantum bit when performing quantum error correction processing) in each basic cell included in each composite quantum cell is connected to four quantum bit units, thereby enabling four-way quantum information communication required for a two-dimensional quantum bit structure to realize a surface code.
  • the composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 have substantially the same configuration as the composite quantum cell 75 described with reference to FIG. 7, and therefore, for the sake of convenience, a duplicated description will be omitted here.
  • each of the composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 that make up the quantum error correction device 80 has a control region 77 defined by multiple composite quantum cells, in which electronic components such as a control unit for supplying voltage to the quantum bit unit are placed.
  • the configuration of the quantum error correction device 80 described above makes it possible to realize a quantum error correction device that can suppress crosstalk between quantum bits coupled by coupling portions, while taking into account the wiring on the semiconductor structure and the layout of classical electronic devices.
  • FIG. 9A and 9B illustrate an example of a surface code topology configuration according to an embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 9A shows a 5x5 surface code topology 94 for implementing a surface code.
  • open circles represent measurement qubits and closed circles represent data qubits.
  • Dark grey regions represent regions where Z-stabilizer operation is applied, and light grey regions represent regions where X-stabilizer operation is applied.
  • Figure 9B shows a surface code topology 96 in which the 5x5 surface code topology 94 shown in Figure 9A is mapped onto the semiconductor structure (see Figure 8) of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Quantum bit units QU0 to QU24 are arranged in this surface code topology 96.
  • white circles indicate measurement qubits
  • black circles indicate data qubits
  • dark gray areas are areas where Z-stabilizer operation is applied
  • light gray areas are areas where X-stabilizer operation is applied.
  • FIG. 10 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method 100 implemented in a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.
  • This quantum initialization method 100 is a process for initializing each quantum device included in the quantum error correction device and bringing it into a state where quantum computation is possible.
  • step S101 the control unit described above (for example, control unit 78 arranged in control region 77 in FIG. 8) supplies a voltage to each gate electrode of each quantum device in the quantum error correction device.
  • step S102 the control unit applies a predetermined voltage to the quantum dot sensor barrier gate GB6 and the quantum dot sensor barrier gate GB7 shown in FIG. 6, thereby attracting electrons from the ohmic regions OC2, OC4, OC5, OC6, OC7, OC10, OC11, etc. arranged in the control region 77 shown in FIG. 6, and confining a single electron in each of the quantum dot sensors of the quantum bit unit.
  • step S103 the control unit applies a predetermined voltage to the plunger gate GB1 for the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2, the plunger gate GB5 for the quantum bit unit, and the barrier gates GB3 and GB4 for the quantum bit unit shown in FIG. 6, thereby attracting electrons from the ohmic regions O1 to O14 shown in FIG. 6, causing an even number of electrons to accumulate in the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2, and confining a single electron in each of the quantum dots of the quantum bit unit.
  • the reason why an even number of electrons are stored in the three-way multi-electron coupler is that the sum of the electron spins becomes "0".
  • a predetermined electron shuttling technique may be used to confine a single electron in each of the three-way multi-electron coupler and the quantum dot of the quantum bit unit.
  • step S104 using the quantum dot sensor initialized in step S102, it is confirmed that an even number of electrons are accumulated in the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2 and that a single electron is confined in each of the quantum dots of the quantum bit unit. If an even number of electrons are not stored in the three-way multi-electron coupler or if a single electron is not confined in each of the quantum dots of the quantum bit unit, the control unit may perform step S103 again. In this way, by adjusting the charge amounts of the three-way multi-electron coupler, quantum dot sensor, and quantum dot in the quantum error correction device, each quantum device included in the quantum error correction device can be made capable of quantum computing.
  • the use of a three-way multi-electron coupler makes it possible to individually adjust the charge amounts of the quantum dot sensor and the quantum dot, thereby suppressing crosstalk between quantum dots and bringing the quantum device into a state where quantum computation is possible.
  • electrons stored in the three-way multi-electron coupler and the quantum dot of the quantum bit unit are attracted from the ohmic region (first ohmic region) located in the above-described basic quantum cell, whereas electrons stored in the quantum dot sensor are attracted from the ohmic region (second ohmic region) located in the control region of the composite quantum cell. This allows each of the multi-electron coupler, the quantum dot, and the quantum dot sensor to attract electrons from nearby ohmic regions, thereby suppressing electrical interference.
  • quantum computation can be performed in each quantum bit unit using the quantum device.
  • the quantum computation in each quantum bit unit can be performed, for example, by the following operations.
  • Initialization First, the plunger gate of the quantum bit unit is used to initialize the quantum bit unit to a singlet state, and then the voltage applied to the plunger gate is increased.
  • Single-qubit operation Tuning the spin frequency of a quantum dot to drive the rotation of a single qubit.
  • Two-qubit operations using the barrier gate of the qubit unit to perform so-called CPHASE, CNOT, or PSWAP operations, where the barrier gate may be used in combination with a microwave drive.
  • the qubit state is read out by measuring the Pauli spin blockade using the qubit unit plunger gate.
  • MECPSWAP As described above, quantum information such as spin can be exchanged between any two quantum bits by implementing the spin exchange method described with reference to FIG.
  • the quantum error correction device is initialized as described with reference to Fig. 10, and each quantum dot in the quantum error correction device is initialized.
  • an X-stabilizer operation and a Z-stabilizer operation are performed on the measurement qubit and the data qubit using a CNOT gate, thereby realizing a surface code and performing quantum error correction.
  • the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation in the quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to Fig. 11.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation according to an embodiment of the present disclosure.
  • the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation are operations performed to detect and correct errors in a quantum bit. More specifically, the X-stabilizer performs a parity check in the X basis to detect whether a bit flip error has occurred in the X basis. Furthermore, the Z-stabilizer performs a parity check in the Z basis to detect whether a phase error has occurred in the Z basis. By performing the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation, it is possible to detect whether an error has occurred in the X basis and the Z basis of a quantum bit and correct the error.
  • Figure 11A shows the qubit units QU0 to QU24 used for Z-stabilizer operation in the surface code topology 96 shown in Figure 9.
  • qubit units QU3, QU5, QU6, and QU8 are measurement qubits
  • qubit unit QU18 is a data qubit.
  • Figure 11B shows the quantum bit units QU0 to QU24 used for X-stabilizer operation in the surface code topology 96 shown in Figure 9.
  • quantum bit units QU6, QU8, QU9, and QU11 are measurement quantum bits
  • quantum bit unit QU21 is a data quantum bit.
  • FIG. 11C is a quantum circuit illustrating Z-stabilizer operation performed between qubit units QU3, QU5, QU6, and QU8 used as measurement qubits and qubit unit QU18 used as a data qubit.
  • FIG. 11D is a quantum circuit illustrating the X-stabilizer operation performed between qubit units QU6, QU8, QU9, and QU11 used as measurement qubits and qubit unit QU21 used as a data qubit.
  • Figure 11E shows a quantum circuit for performing a CNOT gate operation on quantum bit units QU18 and QU6
  • Figure 11F shows a quantum circuit for performing a CNOT gate operation on quantum bit unit QU21 and quantum bit unit QU9.
  • a series of PSWAP operations (standard PSWAP operations within the qubit unit and the PSWAP operations of the multi-electron coupler described with reference to Figure 5) are used to transfer the information of the computation qubits of the data qubit unit and the measurement qubit unit to one qubit unit.
  • the computation qubits of the data qubit unit and the measurement qubit unit perform CNOT gate operations on adjacent qubit units, as shown in Figures 11E and 11F, respectively.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the first modification of the present disclosure.
  • three quantum bit units connected to a three-way multi-electron coupler in a quantum device are arranged at positions separated by 110 to 130 degrees (e.g., 120 degrees).
  • the present disclosure is not limited to this, and three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler in a quantum device may also be arranged at positions separated by, for example, 80 to 100 degrees (e.g., 90 degrees).
  • Figure 12A shows an example of the configuration of a composite quantum cell in a quantum device where three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler are arranged at positions separated by 90 degrees.
  • Figure 12B shows a quantum error correction device configured by arranging multiple composite quantum cells in an NxM grid, where three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler are arranged at positions separated by 90 degrees.
  • the three quantum bit units QU1, QU2, and QU3 connected to the three-way multi-electron coupler 12 in the quantum device are positioned at 90-degree intervals.
  • the composite quantum cell and quantum error correction device have a more rectangular shape.
  • FIGS. 6 to 8 are diagrams showing the configuration of a quantum error correction device according to the second modification of the present disclosure. While the composite quantum cell (see FIG. 7 ) having a configuration in which three-way multi-electron couplers in multiple elementary quantum cells are coupled by a two-way multi-electron coupler has been described above with reference to FIGS. 6 to 8 , the present disclosure is not limited thereto, and the composite quantum cell may be composed of elementary quantum cells coupled via two two-way multi-electron couplers connected by one or more spacer qubit units.
  • FIG. 13A is a diagram showing an example of a configuration in which spacer qubit units are provided in the horizontal direction of a composite quantum cell according to Variation 2 of the present disclosure
  • FIG. 13B is a diagram showing a quantum error correction device configured by arranging a plurality of composite quantum cells, each having spacer qubit units provided in the horizontal direction, in an N ⁇ M grid.
  • the two-way multi-electron coupler 13-1 connected to the three-way multi-electron coupler 12-1 of the first quantum device 10-1 and the two-way multi-electron coupler 13-2 connected to the three-way multi-electron coupler 12-2 of the second quantum device 10-2 are coupled via a spacer quantum bit unit SQU.
  • Figure 14A shows an example of a configuration in which spacer qubit units are provided in the horizontal and vertical directions of a composite quantum cell according to Variation 3 of the present disclosure
  • Figure 14BD shows a quantum error correction device configured by arranging a plurality of composite quantum cells, each having spacer qubit units provided in the horizontal and vertical directions, in an NxM grid.
  • 14A and 14B in each elementary quantum cell included in the composite quantum cell, two-way multi-electron coupler 13-1 connected to three-way multi-electron coupler 12-1 of first quantum device 10-1 and two-way multi-electron coupler 13-2 connected to three-way multi-electron coupler 12-2 of second quantum device 10-2 are coupled via spacer quantum bit unit QUS1.
  • two-way multi-electron coupler 13-3 connected to three-way multi-electron coupler 12-2 of second quantum device 10-2 and two-way multi-electron coupler 13-4 connected to three-way multi-electron coupler 12-3 of third quantum device 10-3 are coupled via spacer quantum bit unit QUS2.
  • a quantum device includes a three-way multi-electron coupler to which three quantum bit units are connected.
  • Each quantum bit unit includes a set of quantum bits and a quantum bit sensor that measures the state of the set of quantum bits.
  • Barrier gates that control the potential of the quantum dots that serve as quantum bits are located on both sides of the set of quantum bits and between the quantum bits.
  • a plunger gate is located for the three-way multi-electron coupler.
  • control units such as multiplexing systems that supply voltage to the quantum bit units, as well as classical electronic components, in an area defined by the composite quantum cell, it is possible to efficiently control each quantum bit unit while minimizing the dimensions of the quantum device and the complexity of the wiring.
  • the quantum device, spin exchange method, and quantum error correction apparatus include the following aspects.
  • a quantum device comprising a set of qubit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of qubit units, Each of the qubit units in the set of qubit units a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel; a set of quantum dots formed in the semiconductor channel along an imaginary wiring direction passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
  • the three-way multi-electron coupler comprises: a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
  • a quantum device characterized by:
  • Each of the qubit units in the set of qubit units further comprising a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots to measure a state of the set of quantum dots.
  • (Aspect 4) 4. The quantum device according to any one of aspects 1 to 3, wherein the quantum bit units included in the set of quantum bit units are arranged at positions separated from each other by 110 degrees to 130 degrees.
  • the quantum device is a control unit connected to the set of gate electrodes of the qubit unit and the plunger gate of the three-way multi-electron coupler; The control unit applying voltages to the set of gate electrodes of the qubit unit and to a plunger gate of the three-way multi-electron coupler to bind a single electron in each quantum dot in the set of quantum dots and to bind an even number of electrons in the three-way multi-electron coupler; 6.
  • the quantum device according to any one of aspects 1 to 5.
  • the control unit applying a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first qubit unit and a second qubit unit in the set of qubit units; applying a second voltage to the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit so that the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfy a predetermined open condition during the predetermined application time; performing spin exchange between the first qubit unit and the second qubit unit by applying a third voltage to the set of gate electrodes of a third qubit unit in the set of qubit units for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the third qubit unit satisfies a predetermined closing condition; 7.
  • the quantum device 6.
  • a spin exchange method implemented in a quantum device comprising: a set of quantum bit units; a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units; and a controller electrically connected to the set of quantum bit units and the three-way multi-electron coupler,
  • Each of the qubit units in the set of qubit units a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel; a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
  • the three-way multi-electron coupler comprises: a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
  • the spin exchange method comprises: applying, using the control unit,
  • a quantum error correction device comprising a plurality of composite quantum cells arranged in an NxM grid, each composite quantum cell includes a first elementary quantum cell and a second elementary quantum cell coupled by a zeroth multi-electron coupler;
  • Each of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell comprises: a first set of qubit units; and a first multi-electron coupler connected to the first set of qubit units; a second set of qubit units; and a second multi-electron coupler connected to the second set of qubit units; the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler are coupled via a central qubit unit shared by the first set of qubit units and the second set of qubit units;
  • a quantum error correction device characterized by:
  • Each of the qubit units in the first set of qubit units and the second set of qubit units comprises: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of first ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel; a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler;
  • the first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler is a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units; 10.
  • the quantum error correction device according to aspect 9.
  • Each of the qubit units in the set of qubit units further comprising a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots to measure a state of the set of quantum dots. 11.
  • a control unit for supplying a voltage to each of the composite quantum cells is arranged in a control region defined by the plurality of composite quantum cells; the control region includes a second ohmic region; The control unit applying a voltage to the set of gate electrodes of the quantum dot sensor to initialize the quantum dot sensor by attracting electrons from the second ohmic region; applying a voltage to the set of gate electrodes of the qubit unit to attract electrons from the first ohmic regions, thereby binding a single electron within each quantum dot in the set of quantum dots; applying a voltage to the plunger gate of each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler to attract electrons from the first ohmic region, thereby binding an even number of electrons to each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler; 12.
  • the quantum error correction device according to aspect 11.
  • the quantum error correction device performing quantum error correction by performing an X-stabilizer operation and a Z-stabilizer operation on each of the first set of qubit units in the first elementary quantum cell and the second set of qubit units in the second elementary quantum cell; 13.
  • the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler; the second multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler; the zeroth multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler for coupling the three-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell via a quantum bit unit; 14.
  • the quantum error correction device according to any one of aspects 9 to 13.
  • the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler; the second multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler; the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell are coupled by respective two-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell; each of the two-way multi-electron couplers is coupled to another via a spacer qubit unit; 15.
  • the quantum error correction device according to any one of aspects 9 to 14.
  • Quantum device 12 Three-way multi-electron coupler 15 Semiconductor structure G Gate electrodes QU1, QU2, QU3 Quantum bit units QU1D1, QU1D2, QU2D1, QU2D2, QU3D1, QU3D2 Quantum dots QU1QDS, QU2QDS, QU3QDS Quantum dot sensor

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Abstract

The present invention suppresses crosstalk between qubits, taking into account the arrangement of classical electronic equipment and wiring on a semiconductor structure. Provided is a quantum device comprising a set of qubit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of qubit units. Each of the qubit units in the set of qubit units includes: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer and inducing a potential in the semiconductor channel; and a set of quantum dots. The three-way multi-electron coupler includes a plunger gate configured to implement spin exchange between any two in the set of qubit units by working together with the set of gate electrodes in each of the qubit units.

Description

量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置Quantum device, spin exchange method and quantum error correction device

 本開示は、量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置に関する。 This disclosure relates to quantum devices, spin exchange methods, and quantum error correction devices.

 半導体材料から製造される量子デバイスは、過去50年間にわたって広範に研究されてきた。これらのデバイスの性能が向上するにつれて、量子ポイントコンタクトのバリスティック量子化、クーロンブロッケード及びスピンブロッケードなど、量子ドットに基づくスピンキュービットを利用するキュービットデバイスの基礎となる多数の量子効果が発見された。 Quantum devices fabricated from semiconductor materials have been extensively studied over the past 50 years. As the performance of these devices has improved, a number of quantum effects have been discovered that are fundamental to qubit devices that utilize quantum dot-based spin qubits, including ballistic quantization of quantum point contacts, Coulomb blockade, and spin blockade.

 上記の量子効果及び半導体ロジックデバイスを用いるキュービットデバイスをスケールアップさせることで、量子コンピュータの構築が可能となる。量子コンピュータで行われる量子計算は、普通の計算(古典的計算)に比べて、デコヒーレンスによるメモリー誤りがある上、信頼性の高いゲート操作が困難であるため、誤り訂正が重要となる。量子誤り訂正の理論によると、量子誤り訂正コード(本開示において、「表面符号」という)を用いることによって、計算量の増加に伴う計算結果の誤り確率を抑えることができる。 By scaling up qubit devices that use the above quantum effects and semiconductor logic devices, it becomes possible to build a quantum computer. Compared to ordinary (classical) calculations, quantum calculations performed on quantum computers are prone to memory errors due to decoherence and reliable gate operation is difficult, making error correction important. According to quantum error correction theory, the use of quantum error correction codes (referred to as "surface codes" in this disclosure) can reduce the probability of errors in calculation results as the amount of calculation increases.

 表面符号は、2次元多様体上に定義される1種類のトポロジー量子誤り訂正符号である。表面符号による誤り訂正方式では、実際にデータを載せる「データ量子ビット」と、データ量子ビットにエラーが発生したかどうかを確認するのに使用する「測定量子ビット」とが隣り合わせに配置される。測定量子ビットから得た情報を外部の古典的コンピューター等で解析することで、データ量子ビットのエラーを補正することができる。データ量子ビットではなく、隣の測定量子ビットを観測するのは、データ量子ビットを直接観測すると重ね合わせなどの量子状態が消えてしまうからである。 Surface codes are a type of topological quantum error-correcting code defined on a two-dimensional manifold. In an error correction method using surface codes, a "data qubit" that actually carries the data and a "measurement qubit" that is used to check whether an error has occurred in the data qubit are placed side by side. Errors in the data qubit can be corrected by analyzing the information obtained from the measurement qubit using an external classical computer, etc. The reason for observing the adjacent measurement qubit rather than the data qubit is that quantum states such as superposition disappear when the data qubit is observed directly.

 従来から、表面符号を実現するためには、いくつかの提案がなされている。
 例えば、Spiderweb Array: A Sparse Spin-Qubit Array. Physical Review Applied 18, 024053 (2022)(非特許文献1)には、「量子ビットの大きな2D配列を用いて、量子ビットをデータ量子ビットまたは表面コード補助量子ビットとして市松模様に割り当て、単一量子ビットの演算と最近傍2量子ビットの演算を行うことで、表面符号を実現することができる。」技術が記載されている。
Conventionally, several proposals have been made to realize surface codes.
For example, Spiderweb Array: A Sparse Spin-Qubit Array. Physical Review Applied 18, 024053 (2022) (Non-Patent Document 1) describes a technique in which "a large 2D array of qubits is used to assign qubits as data qubits or surface code auxiliary qubits in a checkerboard pattern, and a surface code can be realized by performing single-qubit operations and nearest-neighbor two-qubit operations."

Spiderweb Array: A Sparse Spin-Qubit Array. Physical Review Applied 18, 024053 (2022)Spiderweb Array: A Sparse Spin-Qubit Array. Physical Review Applied 18, 024053 (2022)

 非特許文献1には、いわゆる量子ビットシャトリングを用いて表面符号を実現する手段が記載されている。より具体的には、非特許文献1に記載の手段では、量子ビットの間に多数の空の量子ドットが配置されている2次元のアレイ構造において、量子ビットは、アレイの特定の領域に移動させ、そこで演算・読み出しなどの処理が行われる。 Non-Patent Document 1 describes a method for realizing surface codes using so-called quantum bit shuttling. More specifically, in the method described in Non-Patent Document 1, in a two-dimensional array structure in which a large number of empty quantum dots are arranged between quantum bits, the quantum bits are moved to specific regions of the array, where operations such as calculations and readouts are carried out.

 ところで、一般に、表面符号を実現するために用いられる2次元量子ビット構造において、1つ以上の量子ビットや量子ビットセンサ等を含む量子ビットユニットは、何等かの結合部(coupling unit又はjunction element)によって結合される。この結合部を介して、異なる量子ビットユニット間で量子情報の通信が可能となる。 In general, in two-dimensional qubit structures used to realize surface codes, qubit units containing one or more qubits, qubit sensors, etc. are coupled by some kind of coupling unit (or junction element). Quantum information can be communicated between different qubit units via this coupling unit.

 一方、表面符号を実現するために用いられる従来の2次元量子ビット構造では、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストーク(量子ビット間のノイズ)が発生するという課題がある。このクロストークにより、量子計算においてエラーが生じ、計算結果の信頼性が限定されてしまうことがある。
 しかし、非特許文献1等の従来の手段では、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な表面符号実現手段が想定されていない。
However, conventional two-dimensional qubit structures used to realize surface codes suffer from crosstalk (inter-qubit noise) between qubits coupled by couplings, which can cause errors in quantum computing and limit the reliability of the computational results.
However, conventional methods such as those described in Non-Patent Document 1 do not consider surface coding methods that take into account the wiring on semiconductor structures and the layout of classical electronic devices, and that are capable of suppressing crosstalk between quantum bits that are coupled by coupling portions.

 そこで、本開示は、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置を提供することを目的とする。 The present disclosure therefore aims to provide a quantum device, spin exchange method, and quantum error correction device that can suppress crosstalk between quantum bits coupled by coupling portions, while taking into account the wiring on semiconductor structures and the layout of classical electronic devices.

 上記の課題を解決するために、代表的な本発明の量子デバイスは、量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器とからなる量子デバイスであって、前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて形成される量子ドットのセットとを含み、前記3方向多電子結合器は、前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含む、ことを特徴とする。 In order to solve the above problem, a representative quantum device of the present invention is a quantum device comprising a set of quantum bit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units, wherein each of the quantum bit units in the set of quantum bit units comprises: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer and inducing a potential in the semiconductor channel; and a set of quantum dots formed in the semiconductor channel along a direction of imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler; and the three-way multi-electron coupler comprises a plunger gate configured to perform spin exchange between any two of the set of quantum bit units by interacting with the set of gate electrodes of each of the quantum bit units.

 また、上記の課題を解決するために、代表的な本発明のスピン交換方法は、量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器と、前記量子ビットユニットのセット及び前記3方向多電子結合器に電気的に接続されている制御部からなる量子デバイスにおいて実施されるスピン交換方法であって、前記量子デバイスにおいて、前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて配置される量子ドットのセットとを含み、前記3方向多電子結合器は、前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含み、前記スピン交換方法は、前記制御部を用いて、所定の印加時間の間、前記3方向多電子結合器の第1のエネルギーレベルが、前記量子ビットユニットのセットにおける第1の量子ビットユニット及び第2の量子ビットユニットに対する所定の共鳴条件を満たすための第1の電圧を前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに対して印加する工程と、前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の開放条件を満たすための第2の電圧を前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加する工程と、前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記量子ビットユニットのセットにおける第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の閉鎖条件を満たすための第3の電圧を前記第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加することで、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する工程とを含むことを特徴とする。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, a representative spin exchange method of the present invention is a spin exchange method implemented in a quantum device comprising a set of quantum bit units, a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units, and a control unit electrically connected to the set of quantum bit units and the three-way multi-electron coupler, wherein in the quantum device, each of the quantum bit units in the set of quantum bit units comprises: a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions; an insulating layer disposed above the semiconductor layer; a set of gate electrodes disposed in the insulating layer and inducing a potential in the semiconductor channel; and a set of quantum dots disposed in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler; and the three-way multi-electron coupler comprises a plunger gate configured to perform spin exchange between any two of the set of quantum bit units by interlocking with the set of gate electrodes of each of the quantum bit units; The spin exchange method includes the steps of: using the control unit to apply a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first quantum bit unit and a second quantum bit unit in the set of quantum bit units; using the control unit to apply a second voltage to the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfies a predetermined open condition; and using the control unit to apply a third voltage to the set of gate electrodes of a third quantum bit unit for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the third quantum bit unit in the set of quantum bit units satisfies a predetermined close condition, thereby performing spin exchange between the first quantum bit unit and the second quantum bit unit.

 更に、上記の課題を解決するために、代表的な本発明の量子誤り訂正装置は、NxMのグリッド状に配置される複数の複合量子セルからなる量子誤り訂正装置であって、各複合量子セルは、第0の多電子結合器によって結合される第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルを含み、前記第1の基本量子セル及び前記第2の基本量子セルのそれぞれは、第1の量子ビットユニットのセットと、前記第1の量子ビットユニットのセットに接続されている第1の多電子結合器と、第2の量子ビットユニットのセットと、前記第2の量子ビットユニットのセットに接続されている第2の多電子結合器とを含み、前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器は、前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の量子ビットユニットのセットに共有される中央量子ビットユニットを介して結合されている、ことを特徴とする。 Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, a representative quantum error correction device of the present invention is a quantum error correction device consisting of a plurality of composite quantum cells arranged in an NxM grid, each composite quantum cell including a first elementary quantum cell and a second elementary quantum cell coupled by a 0th multi-electron coupler, each of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell including a first set of quantum bit units, a first multi-electron coupler connected to the first set of quantum bit units, a second set of quantum bit units, and a second multi-electron coupler connected to the second set of quantum bit units, and the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler are coupled via a central quantum bit unit shared by the first set of quantum bit units and the second set of quantum bit units.

 本開示によれば、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置を提供することができる。
 上記以外の課題、構成及び効果は、以下の発明を実施するための形態における説明により明らかにされる。
According to the present disclosure, it is possible to provide a quantum device, a spin exchange method, and a quantum error correction apparatus that can suppress crosstalk between quantum bits coupled by coupling portions, while taking into account wiring on semiconductor structures and the layout of classical electronic devices.
Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of the preferred embodiment of the invention.

図1は、本開示の実施形態に係る量子デバイスの半導体構造の上面図である。FIG. 1 is a top view of a semiconductor structure of a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. 図2は、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおける量子ビットユニットの構成を示すための図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a quantum bit unit in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. 図3は、本開示の実施形態に係る量子デバイスの半導体構造におけるゲート電極を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a gate electrode in a semiconductor structure of a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. 図4は、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおいて実施される量子初期化方法の流れを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method implemented in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. 図5は、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおけるスピン交換方法を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a spin exchange method in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. 図6は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置を構成する複合量子セルに含まれる基本量子セルの構成の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the configuration of an elementary quantum cell included in a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. 図7は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置を構成する複合量子セルの構成の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the configuration of a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. 図8は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. 図9は、本開示の実施形態に係る表面符号トポロジーの構成の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a surface code topology configuration according to an embodiment of the present disclosure. 図10は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置において実施される量子初期化方法の流れを示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method implemented in a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. 図11は、本開示の実施例に係るX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation according to an embodiment of the present disclosure. 図12は、本開示の変形例1に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the first modification of the present disclosure. 図13は、本開示の変形例2に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the second modification of the present disclosure. 図14は、本開示の変形例3に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to a third modification of the present disclosure.

 以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
 また、「第1」、「第2」、「第3」等の用語は、本開示において様々な要素又は構成要素を説明するのに用いられる場合があるが、これらの要素又は構成要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解されるであろう。これらの用語は、或る要素又は構成要素を別の要素又は構成要素と区別するためにのみ用いられる。したがって、以下で論述する第1の要素又は構成要素は、本発明概念の教示から逸脱することなく第2の要素又は構成要素と呼ぶこともできる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment. In addition, in the description of the drawings, the same parts are designated by the same reference numerals.
Additionally, although terms such as "first,""second," and "third" may be used to describe various elements or components in this disclosure, it will be understood that these elements or components should not be limited by these terms. These terms are used only to distinguish one element or component from another. Thus, a first element or component discussed below could also be referred to as a second element or component without departing from the teachings of the inventive concept.

 (本開示の概要)
 上述したように、本開示は、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置を提供することに関する。
(Summary of the Disclosure)
As described above, the present disclosure relates to providing quantum devices, spin-swapping methods, and quantum error correction apparatus that can suppress crosstalk between qubits coupled by couplings, taking into account the layout of wiring on semiconductor structures and classical electronics.

 より具体的には、本開示の実施形態に係る量子デバイスの1つは、3方向の多電子結合器(MEC;Multi-electron coupler)を用いる半導体構造を有する。当該3方向多電子結合器は、3つの量子ビットユニットに接続されてもよい。3方向多電子結合器及び量子ビットユニットのそれぞれのゲート電極に印加する電圧を制御することで、3つの量子ビットユニットの内、任意の2つの量子ビットユニットの間でスピンを交換するPSWAP動作を行うことができる。また、後述するように、3方向の多電子結合器で接続した量子ビットユニットのセットからなる量子デバイスを2つ連結することで、4方向の量子情報の通信が可能となる上、配線の密度を抑えつつ、表面符号を実現する2次元量子ビット構造を構成することができる。更に、3方向多電子結合器を用いて、量子ビットユニット間の距離を一定の距離以上とすることで、量子ビットの間でクロストークを抑制することができる。 More specifically, one quantum device according to an embodiment of the present disclosure has a semiconductor structure that uses a three-way multi-electron coupler (MEC). The three-way multi-electron coupler may be connected to three quantum bit units. By controlling the voltages applied to the gate electrodes of the three-way multi-electron coupler and the quantum bit units, a PSWAP operation can be performed, in which any two of the three quantum bit units exchange spins. Furthermore, as described below, by linking two quantum devices each consisting of a set of quantum bit units connected by a three-way multi-electron coupler, four-way quantum information communication becomes possible, and a two-dimensional quantum bit structure that realizes surface coding can be constructed while keeping wiring density low. Furthermore, by using a three-way multi-electron coupler to ensure that the distance between the quantum bit units is at least a certain distance, crosstalk between quantum bits can be suppressed.

 (量子デバイス)
 まず、図1~図3を参照して、本開示の実施形態に係る量子デバイスの構成の一例について説明する。図1は、本開示の実施形態に係る量子デバイス10の半導体構造15の上面図である。図1に示すように、本開示の実施形態に係る量子デバイスの半導体構造15は、3つの量子ビットユニットQU1、QU2、QU3と、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3のそれぞれに接続されている3方向多電子結合器12とを主に含む。また、半導体構造15において、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3や3方向多電子結合器12の電圧を制御するための複数のゲート電極Gが形成されている。
 なお、ゲート電極Gは、バリアゲート、プランジャーゲート、閉じ込めゲート等、様々な種類のゲート電極を含んでもよく、以下では、各ゲート電極について説明するが、特に区別する必要がない場合には、「ゲート電極G」と総称する。また、図1~3では図示しないが、ゲート電極Gは、例えば多重化システムを用いて電圧を供給する制御部78(図7参照)に接続されてもよい。
(Quantum Devices)
First, an example of the configuration of a quantum device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 1 to 3. FIG. 1 is a top view of a semiconductor structure 15 of a quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the semiconductor structure 15 of the quantum device according to an embodiment of the present disclosure mainly includes three quantum bit units QU1, QU2, and QU3, and a three-way multi-electron coupler 12 connected to each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. Furthermore, a plurality of gate electrodes G are formed in the semiconductor structure 15 for controlling the voltages of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 and the three-way multi-electron coupler 12.
The gate electrode G may include various types of gate electrodes such as a barrier gate, a plunger gate, a confinement gate, etc. Each gate electrode will be described below, but when there is no need to particularly distinguish between them, they will be collectively referred to as "gate electrode G." Although not shown in Figures 1 to 3, the gate electrode G may be connected to a control unit 78 (see Figure 7) that supplies a voltage using, for example, a multiplexing system.

 3方向多電子結合器12(図面において、「MEC」と表記することもある)は、複数の量子ビットユニット間で量子情報(例えば、スピン等)の通信を行うための電子結合器である。図1に示すように、3方向多電子結合器12は、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3のそれぞれに接続されている。ある実施例では、3方向多電子結合器12は、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3を、単一の量子ビットユニットにおいて隣接しているバリアゲート間の距離(第1の距離)より大きい距離(第2の距離)で分離してもよい。これにより、量子ビットユニット間のクロストークを抑制することができる。
 一例として、3方向多電子結合器12は、100~500nmの幅を有してもよい。これにより、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3は、200nm以上の距離で分離されることとなるため、量子ビットユニット間のクロストークを抑制することができる。
 なお、説明の便宜上、図面では、円形の3方向多電子結合器12を一例として示すが、3方向多電子結合器12の形状及び寸法は特に限定されず、量子デバイス10の応用形態に応じて自由に設定されてもよい。
The three-way multi-electron coupler 12 (sometimes referred to as "MEC" in the drawings) is an electron coupler for communicating quantum information (e.g., spin, etc.) between multiple quantum bit units. As shown in FIG. 1 , the three-way multi-electron coupler 12 is connected to each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. In one embodiment, the three-way multi-electron coupler 12 may separate the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance (second distance) greater than the distance (first distance) between adjacent barrier gates in a single quantum bit unit. This makes it possible to suppress crosstalk between the quantum bit units.
As an example, three-way multi-electron coupler 12 may have a width of 100 to 500 nm, which separates quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance of 200 nm or more, thereby suppressing crosstalk between the quantum bit units.
For ease of explanation, the drawings show a circular three-way multi-electron coupler 12 as an example, but the shape and dimensions of the three-way multi-electron coupler 12 are not particularly limited and may be freely set depending on the application form of the quantum device 10.

 量子ビットユニットQU1、QU2、QU3は、量子計算を行うための演算要素である。図1に示すように、ある実施例では、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3は、互いに110~130度(例えば、120度)で分離されている位置に配置されてもよい。また、図1に示すように、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3のそれぞれは、3方向多電子結合器12の中心点を通過する想定配線の方向に沿って配置される複数の量子ドットと、量子ドットに隣接して配置され、量子ドットの状態(上向きのスピン、下向きのスピン等)を測定するための量子ドットセンサとを含む。
 より具体的には、量子ビットユニットQU1は、量子ドットQU1QD1、QU1QD2と、量子ドットセンサQU1QDSとを含む。量子ビットユニットQU2は、量子ドットQU2QD1、QU2QD2と、量子ドットセンサQU2QDSとを含む。量子ビットユニットQU3は、量子ドットQU3QD1、QU3QD2と、量子ドットセンサQU3QDSとを含む。なお、本開示において、特に区別する必要がない場合には、量子ドットを「量子ドットQD」と総称し、量子ドットセンサを「量子ドットセンサQDS」と総称する。
The quantum bit units QU1, QU2, and QU3 are computing elements for performing quantum computation. As shown in FIG. 1 , in one embodiment, the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 may be arranged at positions separated from one another by 110 to 130 degrees (e.g., 120 degrees). Also, as shown in FIG. 1 , each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 includes a plurality of quantum dots arranged along the direction of an imaginary wiring passing through the center point of the three-way multi-electron coupler 12, and a quantum dot sensor arranged adjacent to the quantum dots to measure the state of the quantum dot (e.g., spin up, spin down).
More specifically, quantum bit unit QU1 includes quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and a quantum dot sensor QU1QDS. Quantum bit unit QU2 includes quantum dots QU2QD1 and QU2QD2 and a quantum dot sensor QU2QDS. Quantum bit unit QU3 includes quantum dots QU3QD1 and QU3QD2 and a quantum dot sensor QU3QDS. In this disclosure, unless a distinction is required, quantum dots will be collectively referred to as "quantum dot QDs" and quantum dot sensors will be collectively referred to as "quantum dot sensors QDSs."

 図2は、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおける量子ビットユニットの構成を示すための図である。
 図2Aは、本開示の実施形態に係る量子デバイス10における単一の量子ビットユニットQU1の上面図である。図2Aに示すように、量子ビットユニットQU1には、量子ドットQU1QD1、QU1QD2と、量子ドットセンサQU1QDSとが配置されている。量子ドットセンサQU1QDSは、量子ドットQU1QD1、QU1QD2の量子状態を測定するように構成されている。また、量子ドットQU1QD1、QU1QD2及び量子ドットセンサQU1QDSには、ゲート電極Gに対して印加される電圧により、帯電領域C1、C2、C3(図2Aにおける黒い領域)が形成される。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a quantum bit unit in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure.
2A is a top view of a single quantum bit unit QU1 in a quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 2A , quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and a quantum dot sensor QU1QDS are arranged in the quantum bit unit QU1. The quantum dot sensor QU1QDS is configured to measure the quantum states of the quantum dots QU1QD1 and QU1QD2. Furthermore, charged regions C1, C2, and C3 (black regions in FIG. 2A ) are formed in the quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 and the quantum dot sensor QU1QDS by a voltage applied to a gate electrode G.

 図2Bは、本開示の実施形態に係る量子デバイス10を図1で示す切断線Aで切断した場合の断面図である。図2Bに示すように、本開示の実施形態に係る量子デバイス10は、酸化物から構成されている絶縁層1と、絶縁層1の下方に配置されている半導体層3とから主に構成されている。半導体層3は、例えばSi、Ge、As、Ga、In、Sb、またはこれらの材料の組み合わせから製造されてもよい。半導体層3には、量子ビットユニットQU1の量子ドットQU1QD1、QU1QD2と、量子ビットユニットQU2の量子ドットQU2QD1、QU2QD2とが、3方向多電子結合器12の両側に形成されている。
 更に、半導体層3は、電気的な接触を形成し、低い電気抵抗を有するオーミックコンタクトとして、複数のオーミック領域Oを含んでもよい。更に、これらの複数のオーミック領域Oの間に、半導体チャネル3sが形成されている。この半導体チャネル3sは、電流を流し、半導体層3において電位を発生させるための導電経路である。
 なお、本開示において、オーミック領域の位置等を区別するために、「オーミック領域OAX、OBX、OCX」等と特定することもあるが、オーミック領域を特に区別する必要がない場合には、「オーミック領域O」と総称する。
2B is a cross-sectional view of the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure taken along the cutting line A shown in FIG. 2B . As shown in FIG. 2B , the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure is mainly composed of an insulating layer 1 made of an oxide and a semiconductor layer 3 disposed below the insulating layer 1. The semiconductor layer 3 may be made of, for example, Si, Ge, As, Ga, In, Sb, or a combination of these materials. In the semiconductor layer 3, quantum dots QU1QD1 and QU1QD2 of the quantum bit unit QU1 and quantum dots QU2QD1 and QU2QD2 of the quantum bit unit QU2 are formed on both sides of the three-way multi-electron coupler 12.
Furthermore, the semiconductor layer 3 may include a plurality of ohmic regions O as ohmic contacts that form electrical contact and have low electrical resistance. Furthermore, a semiconductor channel 3s is formed between the plurality of ohmic regions O. This semiconductor channel 3s is a conductive path for passing a current and generating a potential in the semiconductor layer 3.
In this disclosure, the ohmic regions may be specified as "ohmic regions OAX, OBX, OCX" or the like in order to distinguish the positions, etc. of the ohmic regions. However, when there is no need to particularly distinguish between the ohmic regions, they will be collectively referred to as "ohmic region O."

 図2Bに示すように、量子デバイス10の絶縁層1において、半導体層3における静電位を制御するためのゲート電極Gとして、バリアゲートが設けられている。これらのゲート電極は、多重化システム(図示せず)を用いて電圧を供給する制御部に接続されてもよい。
 また、これらのゲート電極Gに対して電圧を供給することで、半導体層3において、電位7を生成することができる。
 更に、ある実施例では、ゲート電極Gの上方には、マイクロ波アンテナや、マイクロ磁石を配置してもよい。マイクロ波アンテナや、マイクロ磁石を配置することで、時間依存磁界(time-dependent magnetic field)を生成し、電子のスピンを制御することができる。
2B, barrier gates are provided in the insulating layer 1 of the quantum device 10 as gate electrodes G for controlling the electrostatic potential in the semiconductor layer 3. These gate electrodes may be connected to a control unit that supplies voltage using a multiplexing system (not shown).
Furthermore, by supplying a voltage to these gate electrodes G, a potential 7 can be generated in the semiconductor layer 3 .
Furthermore, in some embodiments, a microwave antenna or a micromagnet may be disposed above the gate electrode G. By disposing the microwave antenna or the micromagnet, a time-dependent magnetic field can be generated to control the spin of electrons.

 図2Cは、本開示の実施形態に係る量子デバイス10における単一の量子ビットユニットQU1の量子ドットQDにおいて生成される電位7の波形を示す図である。図2Cに示すように、半導体層3において生成される電位7の極小値のそれぞれには、単一の電子を束縛するための量子ドットQDが半導体チャネル3sにおいて形成されている。単一の電子を閉じ込めた量子ドットQDは、量子計算を行う量子ビットとして用いることができる。 FIG. 2C is a diagram showing the waveform of the potential 7 generated in the quantum dot QD of a single quantum bit unit QU1 in the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 2C, at each of the minimum values of the potential 7 generated in the semiconductor layer 3, a quantum dot QD for confining a single electron is formed in the semiconductor channel 3s. The quantum dot QD that confines a single electron can be used as a quantum bit for performing quantum computation.

 図3は、本開示の実施形態に係る量子デバイス10の半導体構造15におけるゲート電極を説明するための図である。上述したように、本開示の実施形態に係る量子デバイス10の半導体構造15には、上述した量子ビットユニットQU1、QU2、QU3(説明の便宜上、図3では図示せず)や3方向多電子結合器12(説明の便宜上、図3では図示せず)の電圧を制御するための複数のゲート電極GA1~GA10が形成されている。 FIG. 3 is a diagram illustrating gate electrodes in the semiconductor structure 15 of the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure. As described above, the semiconductor structure 15 of the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure has multiple gate electrodes GA1-GA10 formed therein for controlling the voltages of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 (not shown in FIG. 3 for ease of explanation) and the three-way multi-electron coupler 12 (not shown in FIG. 3 for ease of explanation).

 より具体的には、半導体構造15において、3方向多電子結合器12、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、及び量子ドットセンサQU1QDS、QU2QDSQU3QDSの電圧を制御するためには、
 3方向多電子結合器12用のプランジャーゲートGA1、
 3方向多電子結合器12及び量子ビットユニットQU1用の閉じ込めゲート(confinement gate)GA2a、
 3方向多電子結合器12及び量子ビットユニットQU2用の閉じ込めゲートGA2b、
 3方向多電子結合器12及び量子ビットユニットQU3用の閉じ込めゲートGA2c、
 量子ビットユニットQU1用のバリアゲートGA3a、GA5a、GA7a、
 量子ビットユニットQU2用のバリアゲートGA3b、GA5b、GA7b、
 量子ビットユニットQU3用のバリアゲートGA3c、GA5c、GA7c、
 量子ビットユニットQU1用のプランジャーゲートGA4a、GA6a、
 量子ビットユニットQU2用のプランジャーゲートGA4b、GA6b、
 量子ビットユニットQU3用のプランジャーゲートGA4c、GA6c、
 量子ドットセンサQU1QDS用のバリアゲートGA8a、GA10a、
 量子ドットセンサQU2QDS用のバリアゲートGA8b、GA10b、
 量子ドットセンサQU3QDS用のバリアゲートGA8c、GA10c、
 量子ドットセンサQU1QDS用のプランジャーゲートGA9a、
 量子ドットセンサQU2QDS用のプランジャーゲートGA9b、及び
 量子ドットセンサQU3QDS用のプランジャーゲートGA9cが設けられている。
 なお、本開示において、「GA3」等に言及する場合、「GA3a、GA3b及びGA3c」が含まれていることに留意されたい。
More specifically, in the semiconductor structure 15, to control the voltages of the three-way multi-electron coupler 12, the quantum bit units QU1, QU2, and QU3, and the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS,
Plunger gate GA1 for three-way multi-electron coupler 12;
a confinement gate GA2a for the three-way multi-electron coupler 12 and the quantum bit unit QU1;
a confinement gate GA2b for the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit unit QU2;
a confinement gate GA2c for the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit unit QU3;
Barrier gates GA3a, GA5a, and GA7a for quantum bit unit QU1,
Barrier gates GA3b, GA5b, and GA7b for quantum bit unit QU2,
Barrier gates GA3c, GA5c, and GA7c for quantum bit unit QU3;
Plunger gates GA4a and GA6a for quantum bit unit QU1,
Plunger gates GA4b and GA6b for quantum bit unit QU2,
Plunger gates GA4c and GA6c for quantum bit unit QU3,
Barrier gates GA8a and GA10a for quantum dot sensor QU1QDS,
Barrier gates GA8b and GA10b for quantum dot sensor QU2QDS,
Barrier gates GA8c and GA10c for quantum dot sensor QU3QDS,
Plunger gate GA9a for quantum dot sensor QU1QDS,
A plunger gate GA9b for the quantum dot sensor QU2QDS and a plunger gate GA9c for the quantum dot sensor QU3QDS are provided.
It should be noted that in this disclosure, when reference is made to "GA3" etc., it includes "GA3a, GA3b and GA3c."

 上述したゲート電極Gを用いることで、単一の電子をそれぞれの量子ビットユニットQU1、QU2、QU3のそれぞれの量子ドットQDに閉じ込めるための束縛電位(confinement potential)を半導体構造15の半導体層3において生成することができる。量子ドットQDに閉じ込める電子は、例えば半導体構造15において設けられるオーミック領域OA1、OA2、OA3、OA4、OA5及びOA6のそれぞれから引き付けられてもよい。 By using the gate electrode G described above, a confinement potential can be generated in the semiconductor layer 3 of the semiconductor structure 15 to confine a single electron to each quantum dot QD of each quantum bit unit QU1, QU2, and QU3. The electrons to be confined to the quantum dot QD may be attracted, for example, from each of the ohmic regions OA1, OA2, OA3, OA4, OA5, and OA6 provided in the semiconductor structure 15.

 より具合的には、ゲート電極GA1、GA2、及びGA3に対して電圧を印加することで、3方向多電子結合器12において束縛電位を形成し、ゲート電極GA3~GA10に対して電圧を印加することで、量子ドットQU1QD1、QU1QD2、QU2QD1、QU2QD2、QU3QD1、QU3QD2と、量子ドットセンサQU1QDS、QU2QDS、QU3QDSのそれぞれにおいて束縛電位を形成することができる。 More specifically, by applying a voltage to gate electrodes GA1, GA2, and GA3, a binding potential is formed in the three-way multi-electron coupler 12, and by applying a voltage to gate electrodes GA3 to GA10, a binding potential can be formed in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1, and QU3QD2 and the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS.

 この際、量子ドットセンサQU1QDS、QU2QDS、QU3QDSに閉じ込められる電子は、オーミック領域OA2、OA4及びOA6から引き付けられ、3方向多電子結合器12及び量子ドットQU1QD1、QU1QD2、QU2QD1、QU2QD2、QU3QD1、QU3QD2に閉じ込められる電子は、オーミック領域OA1、OA3及びOA5から引き付けられる。
 また、上述したように、図3に示すように、3方向多電子結合器12は、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3を、単一の量子ビットユニットにおいて隣接しているバリアゲート間の距離d1(第1の距離)より大きい距離d2(第2の距離)で分離してもよい。これにより、量子ビットユニット間のクロストークを抑制することができる。
At this time, electrons confined in the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS are attracted from the ohmic regions OA2, OA4, and OA6, and electrons confined in the three-way multi-electron coupler 12 and quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1, and QU3QD2 are attracted from the ohmic regions OA1, OA3, and OA5.
3, the three-way multi-electron coupler 12 may separate the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 by a distance d2 (second distance) that is greater than the distance d1 (first distance) between adjacent barrier gates in a single quantum bit unit, thereby suppressing crosstalk between the quantum bit units.

 次に、図4を参照して、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおいて実施される量子初期化方法について説明する。
 図4は、本開示の実施形態に係る量子デバイス10において実施される量子初期化方法40の流れを示す図である。この量子初期化方法40は、量子デバイス10における3方向多電子結合器、量子ドットセンサ及び量子ドットのそれぞれを初期化し、量子デバイス10を量子計算が可能な状態にさせるための処理である。
Next, a quantum initialization method implemented in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG.
4 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method 40 performed in the quantum device 10 according to an embodiment of the present disclosure. This quantum initialization method 40 is a process for initializing each of the three-way multi-electron coupler, the quantum dot sensor, and the quantum dot in the quantum device 10, and bringing the quantum device 10 into a state in which quantum computation is possible.

 まず、ステップS41では、ゲート電極に接続される制御部(図7等参照)は、量子誤り訂正装置における各ゲート電極Gに対して電圧を供給する。 First, in step S41, the control unit connected to the gate electrodes (see Figure 7, etc.) supplies a voltage to each gate electrode G in the quantum error correction device.

 次に、ステップS42では、制御部は、図1及び図3に示すバリアゲートGA8~GA10及びプランジャーゲートGA9に所定の電圧を印加することで、オーミック領域O2、O4及びO6から電子を引き付け、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3の量子ドットセンサQU1QDS、QU2QDS及びQU3QDSのそれぞれに単一の電子を閉じ込める。 Next, in step S42, the control unit applies a predetermined voltage to the barrier gates GA8 to GA10 and plunger gate GA9 shown in Figures 1 and 3, thereby attracting electrons from the ohmic regions O2, O4, and O6 and confining a single electron in each of the quantum dot sensors QU1QDS, QU2QDS, and QU3QDS of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.

 次に、ステップS43では、制御部は、図1及び図3に示すプランジャーゲートGA1、GA4、GA6及びバリアゲートGA3、GA5、GA7に所定の電圧を印加することで、図3に示すオーミック領域OA1、OA3、OA5から電子を引き付け、3方向多電子結合器12に偶数の電子を蓄積させ、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3の量子ドットQU1QD1、QU1QD2、QU2QD1、QU2QD2、QU3QD1のそれぞれに単一の電子を閉じ込める。
 ここで、3方向多電子結合器12に偶数の電子を蓄積させるのは、電子のスピンの総和が「0」になるためである。
 ここで、3方向多電子結合器12及び量子ビットユニットQUの量子ドットQDのそれぞれに単一の電子を閉じ込めるためには、所定の電子シャトリング(electron shuttling)手法を用いてもよい。
Next, in step S43, the control unit applies a predetermined voltage to the plunger gates GA1, GA4, GA6 and the barrier gates GA3, GA5, GA7 shown in Figures 1 and 3, thereby attracting electrons from the ohmic regions OA1, OA3, OA5 shown in Figure 3, accumulating an even number of electrons in the three-way multi-electron coupler 12, and confining a single electron in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, QU3QD1 of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
Here, the reason why an even number of electrons are stored in the three-way multi-electron coupler 12 is that the sum of the electron spins becomes "0".
Here, a predetermined electron shuttling technique may be used to confine a single electron in each of the three-way multi-electron coupler 12 and the quantum dot QD of the quantum bit unit QU.

 次に、ステップS44では、制御部は、ステップS42で初期化した量子ドットセンサQDSを用いて、3方向多電子結合器12に偶数の電子が蓄積され、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3の量子ドットQU1QD1、QU1QD2、QU2QD1、QU2QD2、QU3QD1のそれぞれに単一の電子が閉じ込められていることを確認する。3方向多電子結合器12に偶数の電子が蓄積されていない場合や、量子ドットQU1QD1、QU1QD2、QU2QD1、QU2QD2、QU3QD1のいずれかにおいて単一の電子が閉じ込められていない場合、本処理はステップS43に戻って再度実施してもよい。
 このように、量子デバイス10における3方向多電子結合器12、量子ドットセンサQDS及び量子ドットQDのそれぞれの電荷量を調整し、量子デバイス10を量子計算が可能な状態にさせることができる。
Next, in step S44, the control unit uses the quantum dot sensor QDS initialized in step S42 to confirm that an even number of electrons have been accumulated in the three-way multi-electron coupler 12 and that a single electron is confined in each of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, QU2QD1, QU2QD2, and QU3QD1 of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. If an even number of electrons have not been accumulated in the three-way multi-electron coupler 12 or if a single electron is not confined in any of the quantum dots QU1QD1, QU1QD2, Q2QD1, Q2QD2, and Q3QD1, this process may be repeated by returning to step S43.
In this way, the charge amounts of the three-way multi-electron coupler 12, the quantum dot sensor QDS, and the quantum dot QD in the quantum device 10 can be adjusted to bring the quantum device 10 into a state where quantum computing is possible.

 以上説明した量子初期化方法40では、3方向多電子結合器12を用いることで、量子ドットセンサ及び量子ドットのそれぞれの電荷量を個別に調整することが可能となるため、量子ドット間のクロストークを抑制しつつ、量子デバイス10を量子計算が可能な状態にさせることができる。 In the quantum initialization method 40 described above, the use of the three-way multi-electron coupler 12 makes it possible to individually adjust the charge amounts of the quantum dot sensor and the quantum dots, thereby suppressing crosstalk between quantum dots and bringing the quantum device 10 into a state where quantum computation is possible.

 上述した量子初期化方法40を量子デバイス10に対して実施した後、量子デバイス10を用いて量子計算を各量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3において行うことができる。各量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3における量子計算は、例えば以下の動作によって実施することができる。
 ・初期化:まず、量子ビットユニットのプランジャーゲートを用いて、量子ビットユニットQUをシングレット状態に初期化した後、プランジャーゲートGA4、GA6に印加する電圧を上昇させる。
 ・単一量子ビット動作:量子ドットのスピン周波数を調整し、単一量子ビットの回転を駆動する。
 ・2量子ビット動作:量子ビットユニットのバリアゲートを用いることで、いわゆるCPHASE、CNOT、又はPSWAP動作を実施させる。なお、ここで、バリアゲートをマイクロ波ドライブと組み合わせて使用してもよい。
 ・読み出し:量子ビットユニットプランジャーゲートを用いて、パウリ・スピン・ブロッケードを測定することで、量子ビットの状態を読み出す。
After the above-described quantum initialization method 40 is performed on the quantum device 10, quantum computation can be performed in each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 using the quantum device 10. The quantum computation in each of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 can be performed, for example, by the following operations.
Initialization: First, the quantum bit unit QU is initialized to a singlet state using the plunger gate of the quantum bit unit, and then the voltage applied to the plunger gates GA4 and GA6 is increased.
Single-qubit operation: Tuning the spin frequency of a quantum dot to drive the rotation of a single qubit.
Two-qubit operations: using the barrier gate of the qubit unit to perform so-called CPHASE, CNOT, or PSWAP operations, where the barrier gate may be used in combination with a microwave drive.
Readout: The qubit state is read out by measuring the Pauli spin blockade using the qubit unit plunger gate.

 次に、図5を参照して、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおけるスピン交換方法について説明する。 Next, with reference to Figure 5, a spin exchange method in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure will be described.

 図5は、本開示の実施形態に係る量子デバイスにおけるスピン交換方法50を説明するための図である。本開示の実施形態に係る量子デバイスにおけるスピン交換方法50は、上述した3方向多電子結合器12を用いて、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3のいずれか2つ間でスピンを交換するための方法である。 FIG. 5 is a diagram illustrating a spin exchange method 50 in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure. The spin exchange method 50 in a quantum device according to an embodiment of the present disclosure is a method for exchanging spins between any two of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3 using the three-way multi-electron coupler 12 described above.

 まず、図5Aに示すように、ステップS51では、上述した制御部は、3方向多電子結合器12のエネルギーレベルが、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3のエネルギーレベルより低い静止状態(rest state)となるように、所定の電圧をそれぞれのゲート電極Gに対して印加する。
 なお、図5Aに示すように、この段階では、量子ビットユニットQU1の量子ドットQU1D1が上向き状態であり、量子ビットユニットQU3の量子ドットQU3D1が下向き状態である。
First, as shown in FIG. 5A, in step S51, the control unit applies a predetermined voltage to each gate electrode G so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 is in a rest state lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
As shown in FIG. 5A, at this stage, the quantum dot QU1D1 of the quantum bit unit QU1 is in an upward state, and the quantum dot QU3D1 of the quantum bit unit QU3 is in a downward state.

 次に、図5Bに示すように、ステップS52では、制御部は、3方向多電子結合器12のエネルギーレベルが、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニット(ここで、量子ビットユニットQU1及び量子ビットユニットQU3)に対する所定の共鳴条件を満たすための所定の電圧(第1の電圧)を3方向多電子結合器12のプランジャーゲートGA1に対して印加する。ここでの共鳴条件とは、例えば、3方向多電子結合器12のエネルギーレベルが、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニットに対する共鳴の強度が所定の値になるように規定されるエネルギーレベルの範囲であってもよい。 Next, as shown in FIG. 5B, in step S52, the control unit applies a predetermined voltage (first voltage) to the plunger gate GA1 of the three-way multi-electron coupler 12 so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 satisfies a predetermined resonance condition with respect to the two quantum bit units (here, quantum bit unit QU1 and quantum bit unit QU3) that are the subject of spin exchange. The resonance condition here may be, for example, a range of energy levels that is specified so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 has a predetermined resonance strength with respect to the two quantum bit units that are the subject of spin exchange.

 また、図5Bに示すように、制御部は、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニット(ここで、量子ビットユニットQU1及び量子ビットユニットQU3)のバリアゲートGA3a、GA3cが所定の開放条件を満たすための所定の電圧(第2の電圧)をバリアゲートGA3a、GA3cに対して印加する。ここでの開放条件とは、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニットのバリアゲートGA3a、GA3cが解放され、3方向多電子結合器12を介して2つの量子ビットユニット間でハイゼンベルク交換が可能となることを規定する基準である。 Furthermore, as shown in FIG. 5B, the control unit applies a predetermined voltage (second voltage) to the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units (here, quantum bit unit QU1 and quantum bit unit QU3) that are the subject of spin exchange, so that the barrier gates GA3a and GA3c satisfy a predetermined opening condition. The opening condition here is a criterion that specifies that the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are opened, and Heisenberg exchange becomes possible between the two quantum bit units via the three-way multi-electron coupler 12.

 また、図5Bに示すように、制御部は、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニット以外の量子ビットユニット(ここで、量子ビットユニットQU2)のバリアゲートGA3bが所定の閉鎖条件を満たすための所定の電圧(第3の電圧)をバリアゲートGA3bに対して印加する。ここでの閉鎖条件とは、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニットのバリアゲートGA3bが閉鎖され、ハイゼンベルク交換ができないことを規定する基準である。 Furthermore, as shown in FIG. 5B, the control unit applies a predetermined voltage (third voltage) to the barrier gate GA3b of a quantum bit unit other than the two quantum bit units that are the subject of spin exchange (here, quantum bit unit QU2) so that the barrier gate GA3b satisfies a predetermined closing condition. The closing condition here is a criterion that stipulates that the barrier gates GA3b of the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are closed and Heisenberg exchange cannot occur.

 制御部は、上述したプランジャーゲートGA1及びバリアゲートGA3a、GA3b、GA3cに対して、第1の電圧、第2の電圧及び第3の電圧を、所定の印加時間tPSWAPの間印加することで、図5Bの矢印で示すように、量子ビットユニットQU1及び量子ビットユニットQU3の間でハイゼンベルク交換が発生し、スピン状態を交換させることができる。例えば、ここで説明する一例では、量子ビットユニットQU1の量子ドットQU1D1の上向き状態のスピンと、量子ビットユニットQU3の量子ドットQU3D1の下向き状態のスピンとが互いに交換される。一方、量子ビットユニットQU2における量子ドットのスピン状態は変化されない。
 なお、電圧が印加される印加時間tPSWAPや、バリアゲートGA3a、GA3cのバリアの高さを調整することで、スピン交換の回転位相を制御することができる。
The control unit applies the first voltage, the second voltage, and the third voltage to the plunger gate GA1 and the barrier gates GA3a, GA3b, and GA3c for a predetermined application time t PSWAP , thereby causing Heisenberg exchange between the quantum bit unit QU1 and the quantum bit unit QU3, as shown by the arrows in FIG. 5B, and exchanging the spin states. For example, in the example described here, the up-state spin of the quantum dot QU1D1 in the quantum bit unit QU1 and the down-state spin of the quantum dot QU3D1 in the quantum bit unit QU3 are exchanged with each other. Meanwhile, the spin state of the quantum dot in the quantum bit unit QU2 remains unchanged.
The rotation phase of the spin exchange can be controlled by adjusting the voltage application time t PSWAP and the barrier heights of the barrier gates GA3a and GA3c.

 次に、図5Cに示すように、制御部は、3方向多電子結合器12のエネルギーレベルは、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3のエネルギーレベルより低い静止状態(rest state)に戻るように、所定の電圧がそれぞれのゲート電極Gに対して印加する。
 スピン交換の結果、量子ビットユニットQU1の量子ドットQU1D1が下向き状態となり、量子ビットユニットQU3の量子ドットQU3D1が上向き状態となる。
Next, as shown in FIG. 5C, the control unit applies a predetermined voltage to each gate electrode G so that the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 returns to a rest state that is lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3.
As a result of the spin exchange, quantum dot QU1D1 in quantum bit unit QU1 is in a downward state, and quantum dot QU3D1 in quantum bit unit QU3 is in an upward state.

 図5Dは、上述したステップS51~53のそれぞれの段階で、3方向多電子結合器12のプランジャーゲートGA1及びスピン交換の対象となる2つの量子ビットユニットQU1、QU3のバリアゲートGA3a、GA3cにおける電位の波形を示す。図5Dに示すように、ステップS51の段階では、3方向多電子結合器12のエネルギーレベルは、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3のエネルギーレベルより低い静止状態となり、ステップS502の段階では、量子ビットユニットQU1の量子ドットQU1D1の上向き状態のスピンと、量子ビットユニットQU3の量子ドットQU3D1の下向き状態のスピンとが互いに交換され、ステップS503の段階では、3方向多電子結合器12及び量子ビットユニットQU1、QU2、QU3が静止状態に戻る。 Figure 5D shows the potential waveforms at the plunger gate GA1 of the three-way multi-electron coupler 12 and the barrier gates GA3a and GA3c of the two quantum bit units QU1 and QU3 that are the target of spin exchange, in each of the above-mentioned steps S51 to S53. As shown in Figure 5D, in step S51, the energy level of the three-way multi-electron coupler 12 reaches a stationary state lower than the energy levels of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. In step S502, the up-spin state of quantum dot QU1D1 in quantum bit unit QU1 and the down-spin state of quantum dot QU3D1 in quantum bit unit QU3 are exchanged with each other. In step S503, the three-way multi-electron coupler 12 and quantum bit units QU1, Q2, and QU3 return to a stationary state.

 以上、本開示の実施例に係るスピン交換方法50について説明した。ある実施形態では、スピン交換方法50は、PSWAP動作(Power of Swap Operation)によって実施されてもよい。以下では、PSWAP動作について説明する。 The above describes the spin exchange method 50 according to an embodiment of the present disclosure. In one embodiment, the spin exchange method 50 may be implemented by a PSWAP operation (Power of Swap Operation). The PSWAP operation is described below.

 基底状態|00>、|01>、|10>、|11>を持つ2つの量子ビットの状態空間の場合、交換相互作用は以下に示すハイゼンベルクハミルトニアンとして表現することができる。
 ここで、αは、結合強度(coupling strength)を表す。3方向多電子結合器12における結合強度αは、3方向多電子結合器12のバリアゲートによって制御可能であり、量子ビットユニットにおける結合強度αは、当該量子ビットユニットのバリアゲートによって制御可能である。
For the state space of two qubits with ground states |00>, |01>, |10>, and |11>, the exchange interaction can be expressed as the Heisenberg Hamiltonian shown below:
Here, α represents coupling strength. The coupling strength α in the three-way multi-electron coupler 12 can be controlled by the barrier gate of the three-way multi-electron coupler 12, and the coupling strength α in the quantum bit unit can be controlled by the barrier gate of the quantum bit unit.

 基底|00>、|01>、|10>、|11>では、ハミルトニアンは以下の行列で表現することができる。これにより、以下の時間発展演算子(time evolution operator)が規定される。
In the basis |00>, |01>, |10>, |11>, the Hamiltonian can be expressed by the following matrix: This defines the following time evolution operator:

 4αt=φとなるように時間及び結合強度を固定することにより、以下に示すPSWAP動作を定義することができる。
By fixing the time and coupling strength so that αt=φ, we can define the PSWAP operation as follows:

 上述したスピン交換方法50によれば、3方向多電子結合器12を用いることで、量子ビットユニットQU1、QU2及びQU3のいずれか2つ間でスピンを交換することができる。このスピン交換方法500では、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する際、スピン交換の対象となる2つの量子ビットユニット以外の量子ビットユニットのバリアゲートは閉鎖されるため、スピン状態は変化されない。これにより、量子ビットの間でクロストークを抑制しつつ、任意の2つの量子ビットユニット間で量子情報の通信を可能にすることができる。また、後述するように、この構成によれば、表面符号を実現する2次元量子ビット構造を構築することができる。 According to the spin exchange method 50 described above, by using the three-way multi-electron coupler 12, spins can be exchanged between any two of the quantum bit units QU1, QU2, and QU3. In this spin exchange method 500, when spin exchange is performed between two quantum bit units that are the subject of spin exchange, the barrier gates of quantum bit units other than the two quantum bit units that are the subject of spin exchange are closed, so the spin state does not change. This makes it possible to communicate quantum information between any two quantum bit units while suppressing crosstalk between quantum bits. Furthermore, as will be described later, this configuration makes it possible to construct a two-dimensional quantum bit structure that realizes surface codes.

 (量子誤り訂正装置)
 次に、図6~8を参照して、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置の構成について説明する。
(Quantum error correction device)
Next, the configuration of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS.

 上述したように、量子コンピュータに行われる量子計算においてデコヒーレンス等による誤りを訂正するためには、いわゆる表面符号が用いられる。表面符号は、2次元多様体上に定義される1種類のトポロジー量子誤り訂正符号であり、一般に、2次元量子ビット構造からなる。以下では、表面符号を実現するための量子誤り訂正装置のアーキテクチャの構成について説明する。 As mentioned above, so-called surface codes are used to correct errors caused by decoherence and other factors in quantum computations performed on quantum computers. Surface codes are a type of topological quantum error-correcting code defined on a two-dimensional manifold, and generally consist of a two-dimensional quantum bit structure. Below, we explain the architectural configuration of a quantum error-correcting device for realizing surface codes.

 本開示の実施例に係る量子誤り訂正装置は、NxMのグリッド状に配置される複数の複合量子セルから構成される。また、各複合量子セルは、多電子結合器によって結合される2つの基本量子セルから構成される。 A quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure is composed of multiple composite quantum cells arranged in an NxM grid. Each composite quantum cell is composed of two elementary quantum cells coupled by a multi-electron coupler.

 図6は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置を構成する複合量子セルに含まれる基本量子セル60の構成の一例を示す図である。図6に示すように、本開示の実施例に係る基本量子セル60は、図1~3を参照して説明した2つの量子デバイス10を、量子ビットユニットを介して結合した構成を有する。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the configuration of an elementary quantum cell 60 included in a composite quantum cell that constitutes a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 6, the elementary quantum cell 60 according to an embodiment of the present disclosure has a configuration in which two quantum devices 10 described with reference to FIGS. 1 to 3 are coupled via a quantum bit unit.

 より具体的には、図6に示すように、基本量子セル60は、第1の3方向多電子結合器12-1に接続されている量子ビットユニットQU1、QU2からなる第1の量子デバイス10-1と、第2の3方向多電子結合器12-2に接続されている量子ビットユニットQU3、QU4からなる第2の量子デバイス10-2とを含む。第1の量子デバイス10-1と、第2の量子デバイス10-2とが、中央量子ビットユニットCQUを介して結合される。
 なお、第1の量子デバイス10-1及び第2の量子デバイス10-2は、図1~3を参照して説明した量子デバイス10と実質的に同様の構成を有するため、説明の便宜上、ここでは、重複する説明を省略する。
6, basic quantum cell 60 includes first quantum device 10-1 consisting of quantum bit units QU1 and QU2 connected to first three-way multi-electron coupler 12-1, and second quantum device 10-2 consisting of quantum bit units QU3 and QU4 connected to second three-way multi-electron coupler 12-2. First quantum device 10-1 and second quantum device 10-2 are coupled via central quantum bit unit CQU.
Note that the first quantum device 10-1 and the second quantum device 10-2 have substantially the same configuration as the quantum device 10 described with reference to Figures 1 to 3, and therefore, for the sake of convenience, duplicated explanations will be omitted here.

 図6に示すように、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4、CQU及び第1の3方向多電子結合器12-1と、第2の3方向多電子結合器12-2の電圧を制御するためには、
 第1の3方向多電子結合器12-1及び第2の3方向多電子結合器12-2用のプランジャーゲートGB1、
 第1の3方向多電子結合器12-1及び第2の3方向多電子結合器12-2と、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4用の閉じ込めゲートGB2、
 量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4と、第1の3方向多電子結合器12-1及び第2の3方向多電子結合器12-2を区切るバリアゲートGB3、
 量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4用のバリアゲートGB4、
 量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4用のプランジャーゲートGB5、
 量子ドットセンサ用のバリアゲートGB6、及び
 量子ドットセンサ用のバリアゲートGB7が設けられている。
As shown in FIG. 6, in order to control the voltages of the quantum bit units QU1, QU2, QU3, QU4, and CQU, the first three-way multi-electron coupler 12-1, and the second three-way multi-electron coupler 12-2,
a plunger gate GB1 for the first three-way multi-electron coupler 12-1 and the second three-way multi-electron coupler 12-2;
a first three-way multi-electron coupler 12-1 and a second three-way multi-electron coupler 12-2, and a confinement gate GB2 for quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4;
a barrier gate GB3 separating the quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4 from the first three-way multi-electron coupler 12-1 and the second three-way multi-electron coupler 12-2;
Barrier gate GB4 for quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4;
Plunger gate GB5 for quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4;
A barrier gate GB6 for the quantum dot sensor and a barrier gate GB7 for the quantum dot sensor are provided.

 また、量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4、CQUの量子ドットに閉じ込める電子は、例えば基本量子セル60において設けられるオーミック領域OB1~OB14のそれぞれから引き付けられてもよい。 Furthermore, the electrons confined in the quantum dots of the quantum bit units QU1, QU2, QU3, QU4, and CQU may be attracted, for example, from each of the ohmic regions OB1 to OB14 provided in the basic quantum cell 60.

 図6に示すように、基本量子セル60において中央量子ビットユニットCQUは、第1の3方向多電子結合器12-1及び第2の3方向多電子結合器12-2を介して、4つの量子ビットユニットQU1、QU2、QU3、QU4に接続されている。このように、それぞれ2つの量子ビットユニットを接続した2つの3方向多電子結合器を中央の量子ビットユニットを介して結合することで、表面符号を実現させるための2次元量子ビット構造に求められる4方向の量子情報通信が可能となる。 As shown in Figure 6, in the basic quantum cell 60, the central quantum bit unit CQU is connected to four quantum bit units QU1, QU2, QU3, and QU4 via a first three-way multi-electron coupler 12-1 and a second three-way multi-electron coupler 12-2. In this way, by coupling two three-way multi-electron couplers, each connected to two quantum bit units, via the central quantum bit unit, four-way quantum information communication, required for a two-dimensional quantum bit structure to realize a surface code, becomes possible.

 図7は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置を構成する複合量子セル75の構成の一例を示す図である。図7に示すように、本開示の実施例に係る複合量子セル75は、図6を参照して説明した2つの基本量子セル60を、2方向多電子結合器を介して結合した構成を有する。 FIG. 7 is a diagram showing an example of the configuration of a composite quantum cell 75 constituting a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 7, the composite quantum cell 75 according to the embodiment of the present disclosure has a configuration in which two elementary quantum cells 60 described with reference to FIG. 6 are coupled via a two-way multi-electron coupler.

 より具体的には、複合量子セル75は、第1の基本量子セル60-1と、第2の基本量子セル60-2とを含む。また、第1の基本量子セル60-1と、第2の基本量子セル60-2とは、2方向多電子結合器76を介して接続されている。
 複数の複合量子セル75からなる量子誤り訂正装置を用いて量子誤り訂正の処理を行う際、第2の基本量子セル60-2における中央量子ビットユニットCQU2は、実際に量子データを載せる「データ量子ビット」として機能し、第1の基本量子セル60-1における中央量子ビットユニットCQU1は、中央量子ビットユニットCQU2にエラーが発生したかどうかを確認するために用いられる「測定量子ビット」として機能する。
 なお、第1の基本量子セル60-1及び第2の基本量子セル60-2は、図6を参照して説明した基本量子セル60と実質的に同様の構成を有するため、説明の便宜上、ここでは、重複する説明を省略する。
More specifically, the composite quantum cell 75 includes a first elementary quantum cell 60-1 and a second elementary quantum cell 60-2, which are connected to each other via a two-way multi-electron coupler 76.
When performing quantum error correction processing using a quantum error correction device consisting of multiple composite quantum cells 75, the central quantum bit unit CQU2 in the second basic quantum cell 60-2 functions as a "data quantum bit" that actually carries quantum data, and the central quantum bit unit CQU1 in the first basic quantum cell 60-1 functions as a "measurement quantum bit" that is used to confirm whether an error has occurred in the central quantum bit unit CQU2.
It should be noted that the first elementary quantum cell 60-1 and the second elementary quantum cell 60-2 have substantially the same configuration as the elementary quantum cell 60 described with reference to FIG. 6, and therefore, for the sake of convenience, a duplicated description will be omitted here.

 また、図7に示すように、複合量子セル75には、基本量子セルのそれぞれに含まれる量子ビットユニットに電圧を供給するための制御部78等の電子部品を配置するための制御領域77が、複数の複合量子セルによって画定される。また、この制御領域77には、基本量子セルのそれぞれに含まれる量子ビットユニットの量子ドットセンサ用の電子を引き付けるためのオーミック領域OC1~OC13(第2のオーミック領域)が配置されてもよい。 Furthermore, as shown in FIG. 7, in the composite quantum cell 75, a control region 77 is defined by multiple composite quantum cells for arranging electronic components such as a control unit 78 for supplying voltage to the quantum bit units included in each of the basic quantum cells. Furthermore, this control region 77 may also be provided with ohmic regions OC1 to OC13 (second ohmic regions) for attracting electrons for the quantum dot sensors of the quantum bit units included in each of the basic quantum cells.

 図7を参照して説明したように、2つの基本量子セル60を、2方向多電子結合器を介して結合した複合量子セルを複数組み合わせることで、表面符号を実現させるための2次元量子ビット構造を構成することができる。 As explained with reference to Figure 7, a two-dimensional quantum bit structure for realizing surface codes can be constructed by combining multiple composite quantum cells in which two basic quantum cells 60 are coupled via a two-way multi-electron coupler.

 図8は、本開示の実施例に係る量子誤り訂正装置80の構成を示す図である。上述したように、本開示の実施例に係る量子誤り訂正装置80は、NxMのグリッド状に配置される複数の複合量子セルから構成される。 FIG. 8 is a diagram showing the configuration of a quantum error correction device 80 according to an embodiment of the present disclosure. As described above, the quantum error correction device 80 according to an embodiment of the present disclosure is composed of multiple composite quantum cells arranged in an NxM grid.

 より具体的には、量子誤り訂正装置80の構成の一例として、図8では、3x2のグリッド状に配置される6つの複合量子セル75-1、75-2、75-3、75-4、75-5、75-6を示す。それぞれの複合量子セル75-1、75-2、75-3、75-4、75-5、75-6は、2方向多電子結合を介して結合されてもよい。
 この構成により、それぞれの複合量子セルに含まれる各基本セルにおける中央量子ビットユニット(量子誤り訂正の処理を行う際にデータ量子ビット又は測定量子ビットとして機能する量子ビットユニット)は、4つの量子ビットユニットに接続されているため、表面符号を実現させるための2次元量子ビット構造に求められる4方向の量子情報通信が可能となる。
 なお、複合量子セル75-1、75-2、75-3、75-4、75-5、75-6は、図7を参照して説明した複合量子セル75と実質的に同様の構成を有するため、説明の便宜上、ここでは、重複する説明を省略する。
8 shows six composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 arranged in a 3x2 grid as an example of the configuration of quantum error correction device 80. Each of composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 may be coupled via two-way multi-electron coupling.
With this configuration, the central quantum bit unit (a quantum bit unit that functions as a data quantum bit or a measurement quantum bit when performing quantum error correction processing) in each basic cell included in each composite quantum cell is connected to four quantum bit units, thereby enabling four-way quantum information communication required for a two-dimensional quantum bit structure to realize a surface code.
The composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 have substantially the same configuration as the composite quantum cell 75 described with reference to FIG. 7, and therefore, for the sake of convenience, a duplicated description will be omitted here.

 上述したように、量子誤り訂正装置80を構成する複合量子セル75-1、75-2、75-3、75-4、75-5、75-6のそれぞれには、量子ビットユニットに電圧を供給するための制御部等の電子部品を配置するための制御領域77が、複数の複合量子セルによって画定される。 As described above, each of the composite quantum cells 75-1, 75-2, 75-3, 75-4, 75-5, and 75-6 that make up the quantum error correction device 80 has a control region 77 defined by multiple composite quantum cells, in which electronic components such as a control unit for supplying voltage to the quantum bit unit are placed.

 以上説明した量子誤り訂正装置80の構成によれば、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、結合部によって結合されている量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な量子誤り訂正装置を実現することができる。 The configuration of the quantum error correction device 80 described above makes it possible to realize a quantum error correction device that can suppress crosstalk between quantum bits coupled by coupling portions, while taking into account the wiring on the semiconductor structure and the layout of classical electronic devices.

 次に、図9を参照して、本開示の実施例に係る表面符号トポロジーについて説明する。
 図9は、本開示の実施例に係る表面符号トポロジーの構成の一例を示す図である。図9Aは、表面符号を実現させるための5×5の表面符号トポロジー94を示す。図9Aにおいて、白い丸は、測定量子ビットを示し、黒い丸は、データ量子ビットを示す。濃いグレーの領域は、Z-スタビライザー動作が適用される領域であり、淡いグレーの領域は、X-スタビライザー動作が適用される領域である。
Next, referring to FIG. 9, a surface code topology according to an embodiment of the present disclosure will be described.
9A and 9B illustrate an example of a surface code topology configuration according to an embodiment of the present disclosure. Fig. 9A shows a 5x5 surface code topology 94 for implementing a surface code. In Fig. 9A, open circles represent measurement qubits and closed circles represent data qubits. Dark grey regions represent regions where Z-stabilizer operation is applied, and light grey regions represent regions where X-stabilizer operation is applied.

 図9Bは、図9Aに示す5×5の表面符号トポロジー94を、本開示の実施例に係る量子誤り訂正装置の半導体構造(図8参照)にマッピングさせた表面符号トポロジー96を示す。この表面符号トポロジー96には、量子ビットユニットQU0~QU24が配置される。図9Aと同様に、図9Bにおいて、白い丸は、測定量子ビットを示し、黒い丸は、データ量子ビットを示し、濃いグレーの領域は、Z-スタビライザー動作が適用される領域であり、淡いグレーの領域は、X-スタビライザー動作が適用される領域である。 Figure 9B shows a surface code topology 96 in which the 5x5 surface code topology 94 shown in Figure 9A is mapped onto the semiconductor structure (see Figure 8) of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. Quantum bit units QU0 to QU24 are arranged in this surface code topology 96. As in Figure 9A, in Figure 9B, white circles indicate measurement qubits, black circles indicate data qubits, dark gray areas are areas where Z-stabilizer operation is applied, and light gray areas are areas where X-stabilizer operation is applied.

 図9に示すように、表面符号を実現させるための5×5のトポロジーを本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置の半導体構造に埋め込むことで、X-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を実施し、量子誤り訂正用の表面符号を実現させることができる。 As shown in Figure 9, by embedding a 5x5 topology for realizing a surface code into the semiconductor structure of a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure, X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation can be performed, thereby realizing a surface code for quantum error correction.

 次に、図10を参照して、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置において実施される量子初期化方法について説明する。 Next, with reference to Figure 10, we will explain the quantum initialization method implemented in a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure.

 図10は、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置において実施される量子初期化方法100の流れを示す図である。この量子初期化方法100は、量子誤り訂正装置に含まれる各量子デバイスを初期化し、量子計算が可能な状態にさせるための処理である。 FIG. 10 is a diagram showing the flow of a quantum initialization method 100 implemented in a quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure. This quantum initialization method 100 is a process for initializing each quantum device included in the quantum error correction device and bringing it into a state where quantum computation is possible.

 まず、ステップS101では、上述した制御部(例えば、図8における制御領域77に配置される制御部78)は、量子誤り訂正装置における各量子デバイスの各ゲート電極に対して電圧を供給する。 First, in step S101, the control unit described above (for example, control unit 78 arranged in control region 77 in FIG. 8) supplies a voltage to each gate electrode of each quantum device in the quantum error correction device.

 次に、ステップS102では、制御部は、図6に示す量子ドットセンサ用のバリアゲートGB6及び量子ドットセンサ用のバリアゲートGB7に所定の電圧を印加することで、図6に示す制御領域77に配置されているオーミック領域OC2、OC4、OC5、OC6、OC7、OC10、OC11等から電子を引き寄せ、量子ビットユニットの量子ドットセンサのそれぞれに単一の電子を閉じ込める。 Next, in step S102, the control unit applies a predetermined voltage to the quantum dot sensor barrier gate GB6 and the quantum dot sensor barrier gate GB7 shown in FIG. 6, thereby attracting electrons from the ohmic regions OC2, OC4, OC5, OC6, OC7, OC10, OC11, etc. arranged in the control region 77 shown in FIG. 6, and confining a single electron in each of the quantum dot sensors of the quantum bit unit.

 次に、ステップS103では、制御部は、図6に示す3方向多電子結合器12-1、12-2用のプランジャーゲートGB1、量子ビットユニット用のプランジャーゲートGB5及び量子ビットユニット用のバリアゲートGB3、GB4に所定の電圧を印加することで、図6に示すオーミック領域O1~O14から電子を引き寄せ、3方向多電子結合器12-1、12-2に偶数の電子を蓄積させ、量子ビットユニットの量子ドットのそれぞれに単一の電子を閉じ込める。
 上述したように、3方向多電子結合器に偶数の電子を蓄積させるのは、電子のスピンの総和が「0」になるためである。
 ここで、3方向多電子結合器及び量子ビットユニットの量子ドットのそれぞれに単一の電子を閉じ込めるためには、所定の電子シャトリング(electron shuttling)手法を用いてもよい。
Next, in step S103, the control unit applies a predetermined voltage to the plunger gate GB1 for the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2, the plunger gate GB5 for the quantum bit unit, and the barrier gates GB3 and GB4 for the quantum bit unit shown in FIG. 6, thereby attracting electrons from the ohmic regions O1 to O14 shown in FIG. 6, causing an even number of electrons to accumulate in the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2, and confining a single electron in each of the quantum dots of the quantum bit unit.
As described above, the reason why an even number of electrons are stored in the three-way multi-electron coupler is that the sum of the electron spins becomes "0".
Here, a predetermined electron shuttling technique may be used to confine a single electron in each of the three-way multi-electron coupler and the quantum dot of the quantum bit unit.

 次に、ステップS104では、ステップS102で初期化した量子ドットセンサを用いて、3方向多電子結合器12-1、12-2に偶数の電子が蓄積され、量子ビットユニットの量子ドットのそれぞれに単一の電子が閉じ込められていることを確認する。
 3方向多電子結合器に偶数の電子が蓄積されていない場合や、量子ビットユニットの量子ドットのそれぞれに単一の電子が閉じ込められていない場合には、制御部は、ステップS103を再度実施してもよい。
 このように、量子誤り訂正装置における3方向多電子結合器、量子ドットセンサ及び量子ドットのそれぞれの電荷量を調整することで、量子誤り訂正装置に含まれる各量子デバイスを量子計算が可能な状態にさせることができる。
Next, in step S104, using the quantum dot sensor initialized in step S102, it is confirmed that an even number of electrons are accumulated in the three-way multi-electron couplers 12-1 and 12-2 and that a single electron is confined in each of the quantum dots of the quantum bit unit.
If an even number of electrons are not stored in the three-way multi-electron coupler or if a single electron is not confined in each of the quantum dots of the quantum bit unit, the control unit may perform step S103 again.
In this way, by adjusting the charge amounts of the three-way multi-electron coupler, quantum dot sensor, and quantum dot in the quantum error correction device, each quantum device included in the quantum error correction device can be made capable of quantum computing.

 以上説明した量子初期化方法100では、3方向多電子結合器を用いることで、量子ドットセンサ及び量子ドットのそれぞれの電荷量を個別に調整することが可能となるため、量子ドット間のクロストークを抑制しつつ、量子デバイスを量子計算が可能な状態にさせることができる。
 また、上述した量子初期化方法100において、3方向多電子結合器及び量子ビットユニットの量子ドットに蓄積される電子は、上述した基本量子セル内に配置されるオーミック領域(第1のオーミック領域)から引き付けられるのに対して、量子ドットセンサに蓄積される電子は、複合量子セルの制御領域に配置されるオーミック領域(第2のオーミック領域)から引き付けられることに留意されたい。これにより、多電子結合器、量子ドット、及び量子ドットセンサのそれぞれは、距離の近いオーミック領域から電子を引き寄せることができるため、電気的干渉を抑制することができる。
In the quantum initialization method 100 described above, the use of a three-way multi-electron coupler makes it possible to individually adjust the charge amounts of the quantum dot sensor and the quantum dot, thereby suppressing crosstalk between quantum dots and bringing the quantum device into a state where quantum computation is possible.
It should be noted that in the above-described quantum initialization method 100, electrons stored in the three-way multi-electron coupler and the quantum dot of the quantum bit unit are attracted from the ohmic region (first ohmic region) located in the above-described basic quantum cell, whereas electrons stored in the quantum dot sensor are attracted from the ohmic region (second ohmic region) located in the control region of the composite quantum cell. This allows each of the multi-electron coupler, the quantum dot, and the quantum dot sensor to attract electrons from nearby ohmic regions, thereby suppressing electrical interference.

 上述した量子初期化方法100を実施した後、量子デバイスを用いて量子計算を各量子ビットユニットにおいて行うことができる。各量子ビットユニットにおける量子計算は、例えば以下の動作によって実施することができる。
 ・初期化:まず、量子ビットユニットのプランジャーゲートを用いて、量子ビットユニットをシングレット状態に初期化した後、プランジャーゲートに印加する電圧を上昇させる。
 ・単一量子ビット動作:量子ドットのスピン周波数を調整し、単一量子ビットの回転を駆動する。
 ・2量子ビット動作:量子ビットユニットのバリアゲートを用いることで、いわゆるCPHASE、CNOT、又はPSWAP動作を実施させる。なお、ここで、バリアゲートをマイクロ波ドライブと組み合わせて使用してもよい。
 ・読み出し:量子ビットユニットプランジャーゲートを用いて、パウリ・スピン・ブロッケードを測定することで、量子ビットの状態を読み出す。
 ・MECPSWAP:上述したように、図4を参照して説明したスピン交換方法を実施することで、任意の2つの量子ビット間でスピン等の量子情報を交換することができる。
After performing the above-described quantum initialization method 100, quantum computation can be performed in each quantum bit unit using the quantum device. The quantum computation in each quantum bit unit can be performed, for example, by the following operations.
Initialization: First, the plunger gate of the quantum bit unit is used to initialize the quantum bit unit to a singlet state, and then the voltage applied to the plunger gate is increased.
Single-qubit operation: Tuning the spin frequency of a quantum dot to drive the rotation of a single qubit.
Two-qubit operations: using the barrier gate of the qubit unit to perform so-called CPHASE, CNOT, or PSWAP operations, where the barrier gate may be used in combination with a microwave drive.
Readout: The qubit state is read out by measuring the Pauli spin blockade using the qubit unit plunger gate.
MECPSWAP: As described above, quantum information such as spin can be exchanged between any two quantum bits by implementing the spin exchange method described with reference to FIG.

 次に、図11を参照して、本開示の実施形態に係る表面符号動作の一例について説明する。
 図9に示すL×Lトポロジーの場合、図10を参照して説明したように量子誤り訂正装置を初期化し、量子誤り訂正装置における各量子ドットを初期化した後、測定量子ビット及びデータ量子ビットに対して、CNOTゲートを用いてX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を実施することで、表面符号を実現し、量子誤り訂正を行うことができる。以下では、図11を参照して、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置におけるX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作について説明する。
Next, an example of a surface coding operation according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG.
In the case of the L×L topology shown in Fig. 9, the quantum error correction device is initialized as described with reference to Fig. 10, and each quantum dot in the quantum error correction device is initialized. After that, an X-stabilizer operation and a Z-stabilizer operation are performed on the measurement qubit and the data qubit using a CNOT gate, thereby realizing a surface code and performing quantum error correction. Below, the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation in the quantum error correction device according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to Fig. 11.

 図11は、本開示の実施例に係るX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作の一例を示す図である。
 一般に、X-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作は、量子ビットのエラーを検知し、訂正するために行われる動作である。より具体的には、X-スタビライザーは、X基底におけるパリティチェックを行い、X基底においてビットフリップエラーが発生したか否かを検知する。また、Z-スタビライザーは、Z基底におけるパリティチェックを行い、Z基底において、位相エラーが発生したか否かを検知する。X-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を実施することで、量子ビットのX基底及びZ基底においてエラーが発生したか否かを検知し、訂正することができる。
FIG. 11 is a diagram illustrating an example of X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation according to an embodiment of the present disclosure.
In general, the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation are operations performed to detect and correct errors in a quantum bit. More specifically, the X-stabilizer performs a parity check in the X basis to detect whether a bit flip error has occurred in the X basis. Furthermore, the Z-stabilizer performs a parity check in the Z basis to detect whether a phase error has occurred in the Z basis. By performing the X-stabilizer operation and the Z-stabilizer operation, it is possible to detect whether an error has occurred in the X basis and the Z basis of a quantum bit and correct the error.

 図11Aは、図9に示す表面符号トポロジー96における量子ビットユニットQU0~QU24の内、Z-スタビライザー動作用に用いられる量子ビットユニットを示す。図11Aに示すように、量子ビットユニットQU3、QU5、QU6、QU8が測定量子ビットとなり、量子ビットユニットQU18がデータ量子ビットとなる。 Figure 11A shows the qubit units QU0 to QU24 used for Z-stabilizer operation in the surface code topology 96 shown in Figure 9. As shown in Figure 11A, qubit units QU3, QU5, QU6, and QU8 are measurement qubits, and qubit unit QU18 is a data qubit.

 図11Bは、図9に示す表面符号トポロジー96における量子ビットユニットQU0~QU24の内、X-スタビライザー動作用に用いられる量子ビットユニットを示す。図11Bに示すように、量子ビットユニットQU6、QU8、QU9、QU11が測定量子ビットとなり、量子ビットユニットQU21がデータ量子ビットとなる。 Figure 11B shows the quantum bit units QU0 to QU24 used for X-stabilizer operation in the surface code topology 96 shown in Figure 9. As shown in Figure 11B, quantum bit units QU6, QU8, QU9, and QU11 are measurement quantum bits, and quantum bit unit QU21 is a data quantum bit.

 図11Cは、測定量子ビットとして用いられる量子ビットユニットQU3、QU5、QU6、QU8及びデータ量子ビットとして用いられる量子ビットユニットQU18の間で実施されるZ-スタビライザー動作を示す量子回路である。
 図11Dは、測定量子ビットとして用いられる量子ビットユニットQU6、QU8、QU9、QU11及びデータ量子ビットとして用いられる量子ビットユニットQU21の間で実施されるX-スタビライザー動作を示す量子回路である。
FIG. 11C is a quantum circuit illustrating Z-stabilizer operation performed between qubit units QU3, QU5, QU6, and QU8 used as measurement qubits and qubit unit QU18 used as a data qubit.
FIG. 11D is a quantum circuit illustrating the X-stabilizer operation performed between qubit units QU6, QU8, QU9, and QU11 used as measurement qubits and qubit unit QU21 used as a data qubit.

 図11C及び図11Dに示す動作により、1量子ビット動作を実施することができる。一方、CNOTゲート等の2量子ビット動作については、測定量子ビット及びデータ量子ビットが最近傍(nearest neighbors)でないため、CNOTゲートの動作を実施するためには、図11E及び図11Fに示す手順を行うことが望ましい。 The operations shown in Figures 11C and 11D enable one-qubit operations to be performed. On the other hand, for two-qubit operations such as a CNOT gate, since the measurement qubit and data qubit are not nearest neighbors, it is desirable to follow the procedures shown in Figures 11E and 11F to perform the operation of a CNOT gate.

 図11Eは、量子ビットユニットQU18及びQU6に対してCNOTゲート動作を実施するための量子回路であり、図11Fは、量子ビットユニットQU21及び量子ビットユニットQU9に対してCNOTゲート動作を実施するための量子回路である。 Figure 11E shows a quantum circuit for performing a CNOT gate operation on quantum bit units QU18 and QU6, and Figure 11F shows a quantum circuit for performing a CNOT gate operation on quantum bit unit QU21 and quantum bit unit QU9.

 まず、図11E及び図11Fのそれぞれに示すように、一連のPSWAP動作(量子ビットユニット内の標準的なPSWAP動作や、図5を参照して説明した、多電子結合器のPSWAP動作)を用いて、データ量子ビットユニット及び測定量子ビットユニットの計算量子ビットの情報を1つの量子ビットユニットに移行させる。
 次に、図11E及び図11Fのそれぞれに示すように、データ量子ビットユニットと測定量子ビットユニットの計算量子ビットが隣接する量子ビットユニットに対してCNOTゲート動作を実施する。
 次に、図11E及び図11Fのそれぞれに示すように、量子ビットユニット内の標準的なPSWAP動作や、図5を参照して説明した、多電子結合器のPSWAP動作を用いて、計算量子ビットの情報をデータ量子ビットユニット及び測定量子ビットユニットのそれぞれにおける元の計算量子ビットに戻す。
First, as shown in Figures 11E and 11F, respectively, a series of PSWAP operations (standard PSWAP operations within the qubit unit and the PSWAP operations of the multi-electron coupler described with reference to Figure 5) are used to transfer the information of the computation qubits of the data qubit unit and the measurement qubit unit to one qubit unit.
Next, the computation qubits of the data qubit unit and the measurement qubit unit perform CNOT gate operations on adjacent qubit units, as shown in Figures 11E and 11F, respectively.
Next, as shown in Figures 11E and 11F, respectively, standard PSWAP operations within the qubit unit and the PSWAP operations of the multi-electron coupler described with reference to Figure 5 are used to transfer the information of the computation qubit back to the original computation qubit in the data qubit unit and measurement qubit unit, respectively.

 以上説明したように、X-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を本開示の実施例に係る量子誤り訂正装置の表面符号トポロジーに対して実施することで、量子誤り訂正用の表面符号を実現させることができる。 As described above, by implementing X-stabilizer operation and Z-stabilizer operation on the surface code topology of the quantum error correction device according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to realize a surface code for quantum error correction.

 (変形例)
 次に、図12及び図13を参照して、本開示の実施形態に係る量子誤り訂正装置の構成の変形例について説明する。
(Modification)
Next, modified examples of the configuration of the quantum error correction device according to the embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS.

 (変形例1)
 図12は、本開示の変形例1に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。
 以上では、図1~11を参照して、量子デバイスにおいて3方向多電子結合器に接続されている3つの量子ビットユニットが110~130度(例えば、120度)で分離された位置に配置されている場合を一例として説明したが、本開示はこれに限定されず、量子デバイスにおいて3方向多電子結合器に接続されている3つの量子ビットが例えば80度~100度(例えば、90度)で分離された位置に配置されてもよい。
(Variation 1)
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a quantum error correction device according to the first modification of the present disclosure.
In the above, with reference to Figures 1 to 11, an example has been described in which three quantum bit units connected to a three-way multi-electron coupler in a quantum device are arranged at positions separated by 110 to 130 degrees (e.g., 120 degrees). However, the present disclosure is not limited to this, and three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler in a quantum device may also be arranged at positions separated by, for example, 80 to 100 degrees (e.g., 90 degrees).

 図12Aは、量子デバイスにおいて3方向多電子結合器に接続されている3つの量子ビットが90度で分離された位置に配置されている場合の複合量子セルの構成の一例を示す図である。図12Bは、量子デバイスにおいて3方向多電子結合器に接続されている3つの量子ビットが90度で分離された位置に配置されている複数の複合量子セルをNxMのグリッド状に配置することで構成した量子誤り訂正装置を示す図である。 Figure 12A shows an example of the configuration of a composite quantum cell in a quantum device where three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler are arranged at positions separated by 90 degrees. Figure 12B shows a quantum error correction device configured by arranging multiple composite quantum cells in an NxM grid, where three quantum bits connected to a three-way multi-electron coupler are arranged at positions separated by 90 degrees.

 図12A及び図12Bに示すように、量子デバイスにおいて3方向多電子結合器12に接続されている3つの量子ビットユニットQU1、QU2QU3は、90度で分離された位置に配置されている。このように、複合量子セル及び量子誤り訂正装置はより四角い形状となる。 As shown in Figures 12A and 12B, the three quantum bit units QU1, QU2, and QU3 connected to the three-way multi-electron coupler 12 in the quantum device are positioned at 90-degree intervals. In this way, the composite quantum cell and quantum error correction device have a more rectangular shape.

 マイクロエレクトロニクス製造において、長方形上が好適とされていることから、量子誤り訂正装置における複合量子セルを図12に示すように、より四角い構成とすることで、製造プロセスの簡素化を図ると共に、設計の容易性及び集積度を向上させることができる。 Since rectangular shapes are considered preferable in microelectronics manufacturing, by making the composite quantum cell in a quantum error correction device have a more square configuration, as shown in Figure 12, it is possible to simplify the manufacturing process and improve the ease of design and degree of integration.

 (変形例2)
 図13~図14は、本開示の変形例2に係る量子誤り訂正装置の構成を示す図である。
 以上では、図6~8を参照して、複数の基本量子セルにおける3方向多電子結合器が2方向多電子結合器で結合されている構成を有する複合量子セル(図7参照)について説明したが、本開示はこれに限定されず、複合量子セルは、1つ以上のスペーサー量子ビットユニット(spacer qubit unit)で接続される2つの2方向多電子結合器を介して結合される基本量子セルから構成されてもよい。
(Variation 2)
13 and 14 are diagrams showing the configuration of a quantum error correction device according to the second modification of the present disclosure.
While the composite quantum cell (see FIG. 7 ) having a configuration in which three-way multi-electron couplers in multiple elementary quantum cells are coupled by a two-way multi-electron coupler has been described above with reference to FIGS. 6 to 8 , the present disclosure is not limited thereto, and the composite quantum cell may be composed of elementary quantum cells coupled via two two-way multi-electron couplers connected by one or more spacer qubit units.

 図13Aは、本開示の変形例2に係る複合量子セルの水平方向においてスペーサー量子ビットユニットを設けた構成の一例を示す図である。また、図13Bは、水平方向においてスペーサー量子ビットユニットを設けた複数の複合量子セルをNxMのグリッド状に配置することで構成した量子誤り訂正装置を示す図である。
 図13A及び図13Bに示すように、複合量子セルに含まれる各基本量子セルにおいて、第1の量子デバイス10-1の3方向多電子結合器12-1に接続されている2方向多電子結合器13-1と、第2の量子デバイス10-2の3方向多電子結合器12-2に接続されている2方向多電子結合器13-2は、スペーサー量子ビットユニットSQUを介して結合されている。
13A is a diagram showing an example of a configuration in which spacer qubit units are provided in the horizontal direction of a composite quantum cell according to Variation 2 of the present disclosure, and FIG. 13B is a diagram showing a quantum error correction device configured by arranging a plurality of composite quantum cells, each having spacer qubit units provided in the horizontal direction, in an N×M grid.
As shown in Figures 13A and 13B, in each elementary quantum cell included in the composite quantum cell, the two-way multi-electron coupler 13-1 connected to the three-way multi-electron coupler 12-1 of the first quantum device 10-1 and the two-way multi-electron coupler 13-2 connected to the three-way multi-electron coupler 12-2 of the second quantum device 10-2 are coupled via a spacer quantum bit unit SQU.

 (変形例3)
 図14Aは、本開示の変形例3に係る複合量子セルの水平方向及び垂直方向においてスペーサー量子ビットユニットを設けた構成の一例を示す図である。また、図14BDは、水平方向及び垂直方向においてスペーサー量子ビットユニットを設けた複数の複合量子セルをNxMのグリッド状に配置することで構成した量子誤り訂正装置を示す図である。
 図14A及び図14Bに示すように、複合量子セルに含まれる各基本量子セルにおいて、第1の量子デバイス10-1の3方向多電子結合器12-1に接続されている2方向多電子結合器13-1と、第2の量子デバイス10-2の3方向多電子結合器12-2に接続されている2方向多電子結合器13-2は、スペーサー量子ビットユニットQUS1を介して結合されている。また、第2の量子デバイス10-2の3方向多電子結合器12-2に接続されている2方向多電子結合器13-3と、第3の量子デバイス10-3の3方向多電子結合器12-3に接続されている2方向多電子結合器13-4は、スペーサー量子ビットユニットQUS2を介して結合されている。
(Variation 3)
Figure 14A shows an example of a configuration in which spacer qubit units are provided in the horizontal and vertical directions of a composite quantum cell according to Variation 3 of the present disclosure, and Figure 14BD shows a quantum error correction device configured by arranging a plurality of composite quantum cells, each having spacer qubit units provided in the horizontal and vertical directions, in an NxM grid.
14A and 14B, in each elementary quantum cell included in the composite quantum cell, two-way multi-electron coupler 13-1 connected to three-way multi-electron coupler 12-1 of first quantum device 10-1 and two-way multi-electron coupler 13-2 connected to three-way multi-electron coupler 12-2 of second quantum device 10-2 are coupled via spacer quantum bit unit QUS1. Also, two-way multi-electron coupler 13-3 connected to three-way multi-electron coupler 12-2 of second quantum device 10-2 and two-way multi-electron coupler 13-4 connected to three-way multi-electron coupler 12-3 of third quantum device 10-3 are coupled via spacer quantum bit unit QUS2.

 このように、複合量子セルの水平方向又は垂直方向(又はその両方)においてスペーサー量子ビットユニットを設けることで、図14A及び図14Bに示すように、制御部等の古典的電子部品を配置する制御領域77のためにより広い面積を確保することができる。より広い制御領域77を画定することで、いわゆるマジック状態蒸留(magic state distillation)等の機能を実施するための部品の搭載も可能となる。更に、制御領域77のためにより広い面積を確保することで、測定量子ビット及びデータ量子ビットの間の距離が大きくなるため、量子誤りの無相関化(quantum error decorrelation)を図り、量子誤りをより確実に特定することが可能となる。 In this way, by providing spacer qubit units in the horizontal or vertical direction (or both) of the composite quantum cell, a larger area can be secured for the control region 77 in which classical electronic components such as a control unit are placed, as shown in Figures 14A and 14B. Defining a larger control region 77 also makes it possible to install components for performing functions such as so-called magic state distillation. Furthermore, by securing a larger area for the control region 77, the distance between the measurement qubit and the data qubit increases, which enables quantum error decorrelation and more reliable identification of quantum errors.

 上述したように、本開示の実施形態に係る量子デバイスは、3つの量子ビットユニットが接続されている3方向の多電子結合器を有する。各量子ビットユニットには、量子ビットのセットと、当該量子ビットのセットの状態を測定する量子ビットセンサが配置されている。量子ビットのセットの両側、そして、量子ビットの間には、量子ビットとなる量子ドットの電位を制御するバリアゲートが配置されている。更に、方向の多電子結合器用のプランジャーゲートが配置されている。多電子結合器及び量子ビットユニットのそれぞれのゲート電極に印加する電圧を制御することで、3つの量子ビットユニットの内、任意の3つの量子ビットユニットの間でスピンを交換するPSWAP動作を行うことができる。
 また、3方向多電子結合器を用いて、量子ビットユニット間の距離を一定の距離以上とすることで、量子ビットの間でクロストークを抑制することができる。
As described above, a quantum device according to an embodiment of the present disclosure includes a three-way multi-electron coupler to which three quantum bit units are connected. Each quantum bit unit includes a set of quantum bits and a quantum bit sensor that measures the state of the set of quantum bits. Barrier gates that control the potential of the quantum dots that serve as quantum bits are located on both sides of the set of quantum bits and between the quantum bits. Furthermore, a plunger gate is located for the three-way multi-electron coupler. By controlling the voltages applied to the gate electrodes of the multi-electron coupler and the quantum bit units, a PSWAP operation can be performed to exchange spins between any three of the three quantum bit units.
Furthermore, by using a three-way multi-electron coupler to set the distance between quantum bit units to a certain distance or more, crosstalk between quantum bits can be suppressed.

 また、3方向の多電子結合器で接続した量子ビットユニットのセットからなる量子デバイスを2つ連結することで、4方向の量子情報の通信が可能となる基本量子セルを構築することができる。このように構成した2つの基本量子セルを2方向の多電子結合器で結合した複合量子セルを用いることで、多電子結合器によるスピン交換動作により、4つのデータ量子ビットユニットからのスピン情報を1つの測定量子ビットユニットで取得することができる。このように構成した複合量子セルをNxMのグリッド状に配置することで、量子ビットユニットによる量子計算における誤りを特定し、訂正するための表面符号を実現する2次元量子ビット構造を有する量子誤り訂正装置を構成することができる。 Furthermore, by linking two quantum devices each consisting of a set of quantum bit units connected by a three-way multi-electron coupler, it is possible to construct a basic quantum cell that enables four-way communication of quantum information. By using a composite quantum cell in which two basic quantum cells configured in this way are coupled by a two-way multi-electron coupler, it is possible to obtain spin information from four data quantum bit units with a single measurement quantum bit unit through the spin exchange operation of the multi-electron coupler. By arranging composite quantum cells configured in this way in an NxM grid, it is possible to construct a quantum error correction device with a two-dimensional quantum bit structure that realizes a surface code for identifying and correcting errors in quantum computations by the quantum bit units.

 また、この量子誤り訂正装置において、量子ビットユニットに電圧を供給する多重化システム等の制御部や古典的電子部品等を、複合量子セルによって画定される領域に配置することで、量子デバイスの寸法や配線の複雑性を抑えつつ、各量子ビットユニットを効率良く制御することができる。 Furthermore, in this quantum error correction device, by arranging control units such as multiplexing systems that supply voltage to the quantum bit units, as well as classical electronic components, in an area defined by the composite quantum cell, it is possible to efficiently control each quantum bit unit while minimizing the dimensions of the quantum device and the complexity of the wiring.

 このように、半導体構造上の配線や古典的電子機器の配置を考慮した上、量子ビットの間でクロストークを抑制することが可能な量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a quantum device, spin exchange method, and quantum error correction device that can suppress crosstalk between quantum bits, while taking into account the wiring on the semiconductor structure and the layout of classical electronic devices.

 上述したように、本開示の実施形態に係る量子デバイス、スピン交換方法及び量子誤り訂正装置は、以下の態様を含む。 As described above, the quantum device, spin exchange method, and quantum error correction apparatus according to the embodiments of the present disclosure include the following aspects.

 (態様1)
 量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器とからなる量子デバイスであって、
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて形成される量子ドットのセットとを含み、
 前記3方向多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含む、
 ことを特徴とする量子デバイス。
(Aspect 1)
A quantum device comprising a set of qubit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of qubit units,
Each of the qubit units in the set of qubit units
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots formed in the semiconductor channel along an imaginary wiring direction passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
The three-way multi-electron coupler comprises:
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
A quantum device characterized by:

 (態様2)
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
 前記量子ドットのセットに隣接して配置され、前記量子ドットのセットの状態を測定する量子ドットセンサを更に含む、
 ことを特徴とする、態様1に記載の量子デバイス。
(Aspect 2)
Each of the qubit units in the set of qubit units
further comprising a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots to measure a state of the set of quantum dots.
2. The quantum device according to claim 1,

 (態様3)
 前記3方向多電子結合器は、前記量子ビットユニットのセットにおける複数の量子ビットユニットを、単一の量子ビットユニットに配置されるゲート電極のセットにおいて隣接しているバリアゲート間の第1の距離より大きい第2の距離で分離すること特徴とする、態様1又は2に記載の量子デバイス。
(Aspect 3)
3. The quantum device of claim 1, wherein the three-way multi-electron coupler separates the quantum bit units in the set of quantum bit units by a second distance that is greater than a first distance between adjacent barrier gates in a set of gate electrodes arranged on a single quantum bit unit.

 (態様4)
 前記量子ビットユニットのセットに含まれる量子ビットユニットのそれぞれは、互いに110度~130度で分離した位置に配置されていることを特徴とする、態様1乃至3に記載の量子デバイス。
(Aspect 4)
4. The quantum device according to any one of aspects 1 to 3, wherein the quantum bit units included in the set of quantum bit units are arranged at positions separated from each other by 110 degrees to 130 degrees.

 (態様5)
 前記量子ビットユニットのセットに含まれる量子ビットユニットのそれぞれは、互いに80度~100度で分離した位置に配置されていることを特徴とする、態様1乃至4に記載の量子デバイス。
(Aspect 5)
5. The quantum device according to any one of aspects 1 to 4, wherein the quantum bit units included in the set of quantum bit units are arranged at positions separated from each other by 80 degrees to 100 degrees.

 (態様6)
 前記量子デバイスは、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットと前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに接続されている制御部を更に含み、
 前記制御部は、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットと前記3方向多電子結合器のプランジャーゲートに対して電圧を印加することで、前記量子ドットのセットにおける各量子ドット内に単一の電子を束縛し、前記3方向多電子結合器に偶数の電子を束縛する、
 ことを特徴とする、態様1乃至5に記載の量子デバイス。
(Aspect 6)
The quantum device is
a control unit connected to the set of gate electrodes of the qubit unit and the plunger gate of the three-way multi-electron coupler;
The control unit
applying voltages to the set of gate electrodes of the qubit unit and to a plunger gate of the three-way multi-electron coupler to bind a single electron in each quantum dot in the set of quantum dots and to bind an even number of electrons in the three-way multi-electron coupler;
6. The quantum device according to any one of aspects 1 to 5.

 (態様7)
 前記制御部は、
 所定の印加時間の間、前記3方向多電子結合器の第1のエネルギーレベルが、前記量子ビットユニットのセットにおける第1の量子ビットユニット及び第2の量子ビットユニットに対する所定の共鳴条件を満たすための第1の電圧を前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに対して印加し、
 前記所定の印加時間の間、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の開放条件を満たすための第2の電圧を前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加し、
 前記所定の印加時間の間、前記量子ビットユニットのセットにおける第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の閉鎖条件を満たすための第3の電圧を前記第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加することで、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する、
 ことを特徴とする、態様6に記載の量子デバイス。
(Aspect 7)
The control unit
applying a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first qubit unit and a second qubit unit in the set of qubit units;
applying a second voltage to the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit so that the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfy a predetermined open condition during the predetermined application time;
performing spin exchange between the first qubit unit and the second qubit unit by applying a third voltage to the set of gate electrodes of a third qubit unit in the set of qubit units for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the third qubit unit satisfies a predetermined closing condition;
7. The quantum device according to claim 6.

 (態様8)
 量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器と、前記量子ビットユニットのセット及び前記3方向多電子結合器に電気的に接続されている制御部からなる量子デバイスにおいて実施されるスピン交換方法であって、
 前記量子デバイスにおいて、
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて配置される量子ドットのセットとを含み、
 前記3方向多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含み、
 前記スピン交換方法は、
 前記制御部を用いて、所定の印加時間の間、前記3方向多電子結合器の第1のエネルギーレベルが、前記量子ビットユニットのセットにおける第1の量子ビットユニット及び第2の量子ビットユニットに対する所定の共鳴条件を満たすための第1の電圧を前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに対して印加する工程と、
 前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の開放条件を満たすための第2の電圧を前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加する工程と、
 前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記量子ビットユニットのセットにおける第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の閉鎖条件を満たすための第3の電圧を前記第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加することで、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する工程と、
 を含むことを特徴とするスピン交換方法。
(Aspect 8)
1. A spin exchange method implemented in a quantum device comprising: a set of quantum bit units; a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units; and a controller electrically connected to the set of quantum bit units and the three-way multi-electron coupler,
In the quantum device,
Each of the qubit units in the set of qubit units
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
The three-way multi-electron coupler comprises:
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
The spin exchange method comprises:
applying, using the control unit, a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first quantum bit unit and a second quantum bit unit in the set of quantum bit units;
applying, using the control unit, a second voltage to the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfy a predetermined open condition;
using the control unit to apply a third voltage to the set of gate electrodes of a third quantum bit unit in the set of quantum bit units for the predetermined application time, such that the set of gate electrodes of the third quantum bit unit satisfies a predetermined closing condition, thereby performing spin exchange between the first quantum bit unit and the second quantum bit unit;
A spin exchange method comprising:

 (態様9)
 NxMのグリッド状に配置される複数の複合量子セルからなる量子誤り訂正装置であって、
 各複合量子セルは、第0の多電子結合器によって結合される第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルを含み、
 前記第1の基本量子セル及び前記第2の基本量子セルのそれぞれは、
  第1の量子ビットユニットのセットと、
  前記第1の量子ビットユニットのセットに接続されている第1の多電子結合器と、
  第2の量子ビットユニットのセットと、
  前記第2の量子ビットユニットのセットに接続されている第2の多電子結合器とを含み、
  前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器は、前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の量子ビットユニットのセットに共有される中央量子ビットユニットを介して結合されている、
 ことを特徴とする量子誤り訂正装置。
(Aspect 9)
1. A quantum error correction device comprising a plurality of composite quantum cells arranged in an NxM grid,
each composite quantum cell includes a first elementary quantum cell and a second elementary quantum cell coupled by a zeroth multi-electron coupler;
Each of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell comprises:
a first set of qubit units; and
a first multi-electron coupler connected to the first set of qubit units;
a second set of qubit units; and
a second multi-electron coupler connected to the second set of qubit units;
the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler are coupled via a central qubit unit shared by the first set of qubit units and the second set of qubit units;
A quantum error correction device characterized by:

 (態様10)
 前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数の第1のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記第1の多電子結合器又は前記第2の多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて配置される量子ドットのセットとを含み、
 前記第1の多電子結合器又は前記第2の多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含む、
 ことを特徴とする、態様9に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 10)
Each of the qubit units in the first set of qubit units and the second set of qubit units comprises:
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of first ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler;
The first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler is
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
10. The quantum error correction device according to aspect 9.

 (態様11)
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
 前記量子ドットのセットに隣接して配置され、前記量子ドットのセットの状態を測定する量子ドットセンサを更に含む、
 ことを特徴とする、態様10に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 11)
Each of the qubit units in the set of qubit units
further comprising a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots to measure a state of the set of quantum dots.
11. The quantum error correction device according to aspect 10.

 (態様12)
 量子誤り訂正装置において、前記複合量子セルのそれぞれに電圧を供給するための制御部が、複数の複合量子セルによって画定される制御領域において配置されており、
 前記制御領域は、第2のオーミック領域を含み、
 前記制御部は、
 前記量子ドットセンサの前記ゲート電極のセットに対して電圧を印加し、前記第2のオーミック領域から電子を引き付けることで前記量子ドットセンサを初期化し、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して電圧を印加し、前記第1のオーミック領域から電子を引き付けることで、前記量子ドットのセットにおける各量子ドット内に単一の電子を束縛し、
 前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器のそれぞれの前記プランジャーゲートに対して電圧を印加し、前記第1のオーミック領域から電子を引き付けることで、前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器のそれぞれに偶数の電子を束縛する、
 ことを特徴とする、態様11に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 12)
In the quantum error correction device, a control unit for supplying a voltage to each of the composite quantum cells is arranged in a control region defined by the plurality of composite quantum cells;
the control region includes a second ohmic region;
The control unit
applying a voltage to the set of gate electrodes of the quantum dot sensor to initialize the quantum dot sensor by attracting electrons from the second ohmic region;
applying a voltage to the set of gate electrodes of the qubit unit to attract electrons from the first ohmic regions, thereby binding a single electron within each quantum dot in the set of quantum dots;
applying a voltage to the plunger gate of each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler to attract electrons from the first ohmic region, thereby binding an even number of electrons to each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler;
12. The quantum error correction device according to aspect 11.

 (態様13)
 前記量子誤り訂正装置は、
 前記第1の基本量子セルにおける前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の基本量子セルにおける前記第2の量子ビットユニットのそれぞれに対してX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を行うことで、量子誤り訂正を実施する、
 ことを特徴とする、態様12に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 13)
The quantum error correction device
performing quantum error correction by performing an X-stabilizer operation and a Z-stabilizer operation on each of the first set of qubit units in the first elementary quantum cell and the second set of qubit units in the second elementary quantum cell;
13. The quantum error correction device according to aspect 12.

 (態様14)
 前記第1の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第2の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第0の多電子結合器は、前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルのそれぞれの3方向多電子結合器を、量子ビットユニットを介して結合するための2方向多電子結合器である、
 ことを特徴とする、態様9乃至13に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 14)
the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the second multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the zeroth multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler for coupling the three-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell via a quantum bit unit;
14. The quantum error correction device according to any one of aspects 9 to 13.

 (態様15)
 前記第1の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第2の多電子結合器は、2方向多電子結合器であり、
 前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルは、前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルのそれぞれの2方向多電子結合器によって結合されており、
 前記2方向多電子結合器のそれぞれは、スペーサー量子ビットユニットを介して互いに結合されている、
 ことを特徴とする、態様9乃至14に記載の量子誤り訂正装置。
(Aspect 15)
the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the second multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler;
the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell are coupled by respective two-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell;
each of the two-way multi-electron couplers is coupled to another via a spacer qubit unit;
15. The quantum error correction device according to any one of aspects 9 to 14.

 以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。 The above describes an embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

10   量子デバイス
12   3方向多電子結合器
15   半導体構造
G   ゲート電極
QU1、QU2、QU3   量子ビットユニット
QU1D1、QU1D2、QU2D1、QU2D2、QU3D1、QU3D2   量子ドット
QU1QDS、QU2QDS、QU3QDS   量子ドットセンサ
10 Quantum device 12 Three-way multi-electron coupler 15 Semiconductor structure G Gate electrodes QU1, QU2, QU3 Quantum bit units QU1D1, QU1D2, QU2D1, QU2D2, QU3D1, QU3D2 Quantum dots QU1QDS, QU2QDS, QU3QDS Quantum dot sensor

Claims (15)

 量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器とからなる量子デバイスであって、
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて形成される量子ドットのセットとを含み、
 前記3方向多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含む、
 ことを特徴とする量子デバイス。
A quantum device comprising a set of qubit units and a three-way multi-electron coupler connected to the set of qubit units,
Each of the qubit units in the set of qubit units
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots formed in the semiconductor channel along an imaginary wiring direction passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
The three-way multi-electron coupler comprises:
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
A quantum device characterized by:
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
 前記量子ドットのセットに隣接して配置され、前記量子ドットのセットの状態を測定する量子ドットセンサを更に含む、
 ことを特徴とする、請求項1に記載の量子デバイス。
Each of the qubit units in the set of qubit units
a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots and configured to measure a state of the set of quantum dots;
The quantum device according to claim 1 .
 前記3方向多電子結合器は、前記量子ビットユニットのセットにおける複数の量子ビットユニットを、単一の量子ビットユニットに配置されるゲート電極のセットにおいて隣接しているバリアゲート間の第1の距離より大きい第2の距離で分離すること特徴とする、請求項1に記載の量子デバイス。 The quantum device of claim 1, wherein the three-way multi-electron coupler separates the quantum bit units in the set of quantum bit units by a second distance greater than a first distance between adjacent barrier gates in a set of gate electrodes arranged on a single quantum bit unit.  前記量子ビットユニットのセットに含まれる量子ビットユニットのそれぞれは、互いに110度~130度で分離した位置に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の量子デバイス。 The quantum device of claim 1, wherein each of the quantum bit units included in the set of quantum bit units is positioned at positions separated from each other by 110 degrees to 130 degrees.  前記量子ビットユニットのセットに含まれる量子ビットユニットのそれぞれは、互いに80度~100度で分離した位置に配置されていることを特徴とする、請求項1に記載の量子デバイス。 The quantum device of claim 1, wherein each of the quantum bit units included in the set of quantum bit units is positioned at positions separated from each other by 80 to 100 degrees.  前記量子デバイスは、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットと前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに接続されている制御部を更に含み、
 前記制御部は、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットと前記3方向多電子結合器のプランジャーゲートに対して電圧を印加することで、前記量子ドットのセットにおける各量子ドット内に単一の電子を束縛し、前記3方向多電子結合器に偶数の電子を束縛する、
 ことを特徴とする、請求項1に記載の量子デバイス。
The quantum device is
a control unit connected to the set of gate electrodes of the qubit unit and the plunger gate of the three-way multi-electron coupler;
The control unit
applying voltages to the set of gate electrodes of the qubit unit and to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler to bind a single electron in each quantum dot in the set of quantum dots and to bind an even number of electrons in the three-way multi-electron coupler;
The quantum device according to claim 1 .
 前記制御部は、
 所定の印加時間の間、前記3方向多電子結合器の第1のエネルギーレベルが、前記量子ビットユニットのセットにおける第1の量子ビットユニット及び第2の量子ビットユニットに対する所定の共鳴条件を満たすための第1の電圧を前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに対して印加し、
 前記所定の印加時間の間、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の開放条件を満たすための第2の電圧を前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加し、
 前記所定の印加時間の間、前記量子ビットユニットのセットにおける第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の閉鎖条件を満たすための第3の電圧を前記第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加することで、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する、
 ことを特徴とする、請求項6に記載の量子デバイス。
The control unit
applying a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first qubit unit and a second qubit unit in the set of qubit units;
applying a second voltage to the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit so that the sets of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfy a predetermined opening condition during the predetermined application time;
performing spin exchange between the first qubit unit and the second qubit unit by applying a third voltage to the set of gate electrodes of a third qubit unit in the set of qubit units for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the third qubit unit satisfies a predetermined closing condition;
7. The quantum device according to claim 6.
 量子ビットユニットのセットと、前記量子ビットユニットのセットに接続されている3方向多電子結合器と、前記量子ビットユニットのセット及び前記3方向多電子結合器に電気的に接続されている制御部からなる量子デバイスにおいて実施されるスピン交換方法であって、
 前記量子デバイスにおいて、
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記3方向多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて配置される量子ドットのセットとを含み、
 前記3方向多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含み、
 前記スピン交換方法は、
 前記制御部を用いて、所定の印加時間の間、前記3方向多電子結合器の第1のエネルギーレベルが、前記量子ビットユニットのセットにおける第1の量子ビットユニット及び第2の量子ビットユニットに対する所定の共鳴条件を満たすための第1の電圧を前記3方向多電子結合器の前記プランジャーゲートに対して印加する工程と、
 前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の開放条件を満たすための第2の電圧を前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加する工程と、
 前記制御部を用いて、前記所定の印加時間の間、前記量子ビットユニットのセットにおける第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットが所定の閉鎖条件を満たすための第3の電圧を前記第3の量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して印加することで、前記第1の量子ビットユニット及び前記第2の量子ビットユニットの間でスピン交換を実施する工程と、
 を含むことを特徴とするスピン交換方法。
1. A spin exchange method implemented in a quantum device comprising: a set of quantum bit units; a three-way multi-electron coupler connected to the set of quantum bit units; and a controller electrically connected to the set of quantum bit units and the three-way multi-electron coupler,
In the quantum device,
Each of the qubit units in the set of qubit units
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the three-way multi-electron coupler;
The three-way multi-electron coupler comprises:
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
The spin exchange method comprises:
applying, using the control unit, a first voltage to the plunger gate of the three-way multi-electron coupler for a predetermined application time such that a first energy level of the three-way multi-electron coupler satisfies a predetermined resonance condition for a first quantum bit unit and a second quantum bit unit in the set of quantum bit units;
applying, using the control unit, a second voltage to the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit for the predetermined application time such that the set of gate electrodes of the first quantum bit unit and the second quantum bit unit satisfy a predetermined open condition;
using the control unit to apply a third voltage to the set of gate electrodes of a third quantum bit unit in the set of quantum bit units for the predetermined application time, such that the set of gate electrodes of the third quantum bit unit satisfies a predetermined closing condition, thereby performing spin exchange between the first quantum bit unit and the second quantum bit unit;
A spin exchange method comprising:
 NxMのグリッド状に配置される複数の複合量子セルからなる量子誤り訂正装置であって、
 各複合量子セルは、第0の多電子結合器によって結合される第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルを含み、
 前記第1の基本量子セル及び前記第2の基本量子セルのそれぞれは、
  第1の量子ビットユニットのセットと、
  前記第1の量子ビットユニットのセットに接続されている第1の多電子結合器と、
  第2の量子ビットユニットのセットと、
  前記第2の量子ビットユニットのセットに接続されている第2の多電子結合器とを含み、
  前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器は、前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の量子ビットユニットのセットに共有される中央量子ビットユニットを介して結合されている、
 ことを特徴とする量子誤り訂正装置。
1. A quantum error correction device comprising a plurality of composite quantum cells arranged in an NxM grid,
each composite quantum cell includes a first elementary quantum cell and a second elementary quantum cell coupled by a zeroth multi-electron coupler;
Each of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell comprises:
a first set of qubit units; and
a first multi-electron coupler connected to the first set of qubit units;
a second set of qubit units; and
a second multi-electron coupler connected to the second set of qubit units;
the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler are coupled via a central qubit unit shared by the first set of qubit units and the second set of qubit units;
A quantum error correction device characterized by:
 前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
  複数の第1のオーミック領域の間に配置される半導体チャネルを含む半導体層と、
  前記半導体層の上方に配置される絶縁層と、
  前記絶縁層において配置され、前記半導体チャネルにおいて電位を誘発するゲート電極のセットと、
  前記第1の多電子結合器又は前記第2の多電子結合器の中心点を通過する想定配線の方向に沿って前記半導体チャネルにおいて配置される量子ドットのセットとを含み、
 前記第1の多電子結合器又は前記第2の多電子結合器は、
  前記量子ビットユニットのそれぞれの前記ゲート電極のセットと連動することで、前記量子ビットユニットのセットにおけるいずれか2つの間でスピン交換を実施するように構成されるプランジャーゲートを含む、
 ことを特徴とする、請求項9に記載の量子誤り訂正装置。
Each of the qubit units in the first set of qubit units and the second set of qubit units comprises:
a semiconductor layer including a semiconductor channel disposed between a plurality of first ohmic regions;
an insulating layer disposed above the semiconductor layer;
a set of gate electrodes disposed in the insulating layer to induce an electric potential in the semiconductor channel;
a set of quantum dots arranged in the semiconductor channel along a direction of an imaginary wiring passing through a center point of the first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler;
The first multi-electron coupler or the second multi-electron coupler is
a plunger gate configured to interface with the set of gate electrodes of each of the qubit units to effect spin exchange between any two of the set of qubit units;
10. The quantum error correction device according to claim 9.
 前記量子ビットユニットのセットにおける量子ビットユニットのそれぞれは、
 前記量子ドットのセットに隣接して配置され、前記量子ドットのセットの状態を測定する量子ドットセンサを更に含む、
 ことを特徴とする、請求項10に記載の量子誤り訂正装置。
Each of the qubit units in the set of qubit units
a quantum dot sensor disposed adjacent to the set of quantum dots and configured to measure a state of the set of quantum dots;
11. The quantum error correction device according to claim 10.
 量子誤り訂正装置において、前記複合量子セルのそれぞれに電圧を供給するための制御部が、複数の複合量子セルによって画定される制御領域において配置されており、
 前記制御領域は、第2のオーミック領域を含み、
 前記制御部は、
 前記量子ドットセンサの前記ゲート電極のセットに対して電圧を印加し、前記第2のオーミック領域から電子を引き付けることで前記量子ドットセンサを初期化し、
 前記量子ビットユニットの前記ゲート電極のセットに対して電圧を印加し、前記第1のオーミック領域から電子を引き付けることで、前記量子ドットのセットにおける各量子ドット内に単一の電子を束縛し、
 前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器のそれぞれの前記プランジャーゲートに対して電圧を印加し、前記第1のオーミック領域から電子を引き付けることで、前記第1の多電子結合器及び前記第2の多電子結合器のそれぞれに偶数の電子を束縛する、
 ことを特徴とする、請求項11に記載の量子誤り訂正装置。
In the quantum error correction device, a control unit for supplying a voltage to each of the composite quantum cells is arranged in a control region defined by the plurality of composite quantum cells;
the control region includes a second ohmic region;
The control unit
applying a voltage to the set of gate electrodes of the quantum dot sensor to initialize the quantum dot sensor by attracting electrons from the second ohmic region;
applying a voltage to the set of gate electrodes of the qubit unit to attract electrons from the first ohmic regions, thereby binding a single electron within each quantum dot in the set of quantum dots;
applying a voltage to the plunger gate of each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler to attract electrons from the first ohmic region, thereby binding an even number of electrons to each of the first multi-electron coupler and the second multi-electron coupler;
12. The quantum error correction device according to claim 11.
 前記量子誤り訂正装置は、
 前記第1の基本量子セルにおける前記第1の量子ビットユニットのセット及び前記第2の基本量子セルにおける前記第2の量子ビットユニットのそれぞれに対してX-スタビライザー動作及びZ-スタビライザー動作を行うことで、量子誤り訂正を実施する、
 ことを特徴とする、請求項12に記載の量子誤り訂正装置。
The quantum error correction device
performing quantum error correction by performing an X-stabilizer operation and a Z-stabilizer operation on each of the first set of qubit units in the first elementary quantum cell and the second set of qubit units in the second elementary quantum cell;
13. The quantum error correction device according to claim 12.
 前記第1の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第2の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第0の多電子結合器は、前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルのそれぞれの3方向多電子結合器を、量子ビットユニットを介して結合するための2方向多電子結合器である、
 ことを特徴とする、請求項9に記載の量子誤り訂正装置。
the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the second multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the zeroth multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler for coupling the three-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell via a quantum bit unit;
10. The quantum error correction device according to claim 9.
 前記第1の多電子結合器は、3方向多電子結合器であり、
 前記第2の多電子結合器は、2方向多電子結合器であり、
 前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルは、前記第1の基本量子セル及び第2の基本量子セルのそれぞれの2方向多電子結合器によって結合されており、
 前記2方向多電子結合器のそれぞれは、スペーサー量子ビットユニットを介して互いに結合されている、
 ことを特徴とする、請求項9に記載の量子誤り訂正装置。
the first multi-electron coupler is a three-way multi-electron coupler;
the second multi-electron coupler is a two-way multi-electron coupler;
the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell are coupled by respective two-way multi-electron couplers of the first elementary quantum cell and the second elementary quantum cell;
each of the two-way multi-electron couplers is coupled to another via a spacer qubit unit;
10. The quantum error correction device according to claim 9.
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