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NTT持株会社ニュースリリース

参考図

図1 微小磁石法によるスピン量子ビットの概念図

図1 微小磁石法によるスピン量子ビットの概念図

量子ドットの直上においた微小磁石を利用して、交流磁場を作る方法。磁石に直流磁場を加えて磁化させた時に発生する磁場分布は上下方向の勾配(=傾斜磁場)をもつ。その中で、ドット中の電子を左右に電気振動させると、電子は高周波の交流磁場を感じる。この周波数を直流磁場で生じる上向きと下向きのスピン分離のエネルギーと一致させると、電子スピン共鳴(ESR)によるスピン回転が始まる。
2スピン量子ビットを作る時の概念図で、分離磁石の間隔をドット毎に僅かに変えると、各量子ドットにおける上向きと下向きのスピン状態のエネルギー分離が異なるので、2つの量子ドットでESRを起こす直流磁場(あるいは周波数)が異なる。これは、量子ドット毎に作られる量子ビットの操作、つまり各電子スピンの回転運動を独立に制御できることを意味する。

図2 2量子ドット素子表面パターンの電子顕微鏡写真(左)と2スピン量子ビットのスピン回転操作(右)

図2 2量子ドット素子表面パターンの電子顕微鏡写真(左)と2スピン量子ビットのスピン回転操作(右)

薄いグレーの部分が量子ドットを形成するための金属ゲート電極。この電極に適当な負電圧をかけてそれぞれ電子を1個ずつ含む2個の量子ドットを作る(各ドットの寸法は0.2ミクロン程度)。その直上に楔形の間隙をもった対磁石(コバルトCo)(薄い黄色)を取り付ける。図中上向きに直流磁場をかけて磁石を同方向に磁化させる。下側の磁石にマイクロ波(高周波電圧)を加え、ドット中の電子を上下に僅かに振動させてESRによるスピンの回転運動を起こす。なお、図中右側の量子ドットの左側に線状のゲート電極で作った狭窄電子伝導チャネルがあり、これを用いて量子ドットの電子数変化を検出することができる。
2重量子ドットを用いた2量子ビットのスピン回転実験。ESRを働かせる時間(ESR)とともにスピンは上向きから下向き、再び上向きへと回転を続けることに対応して、スピン検出器の出力(GQPC)は周期的に変化する。2つの量子ドットでESRが起こる直流磁場が異なることを利用して、第一、二のスピンを独立に回転させることができる(上が第一のスピン、下が第二のスピンの回転)。

図3 検出したスピン1重項(検出器出力 GQPC)のスピン交換結合操作時間(τex)依存性(左)と、量子もつれ状態の指標(コンカレンス)のスピン交換結合操作時間(τex)と交換結合の強さ(JO)依存性(右)

図3 検出したスピン1重項(検出器出力 GQPC)のスピン交換結合操作時間(τex)依存性(左)と、量子もつれ状態の指標(コンカレンス)のスピン交換結合操作時間(τex)と交換結合の強さ(JO)依存性(右)

片方のスピンの90度回転と2つのスピンの交換結合操作で作られる2スピン状態(終状態)に含まれるスピン1重項(量子もつれ状態)は交換結合操作時間とともに周期的に変わる。交換結合の強さを大きくするとこの周期は次第に短くなる。実線は計算曲線。
量子もつれ状態の指標(コンカレンス)が交換結合操作時間(τex)とともに周期的に変化することは、量子もつれの程度を制御していることに対応する。交換結合の強さ(JO)を大きくすると、右図の場合と同様に周期は次第に短くなる。

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