2019 Fiscal Year Annual Research Report
Feedforward control of electron spin qubits in quantum dots
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18H01819
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
中島 峻 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (60534344)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
樽茶 清悟 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, グループディレクター (40302799)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 電子スピン / 量子ビット / 量子コンピュータ / 誤り訂正 / 量子コヒーレンス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、従来型コンピュータの高速化が限界を迎えつつある中で、新しいパラダイムにより超高速計算を可能にする量子計算機の実現が切望されている。最近、特に集積化に有利とされるシリコン(Si)基板の量子ドットデバイスで高性能な電子スピン量子ビットが実現され、量子計算機実現に向けた機運が高まってきた。しかしながら現実の量子ビットには必ずエラーが伴うため、このエラーを検出し訂正する回路の実現が必要である。本課題では、この量子エラー訂正回路を実装する上で必須とされるフィードフォワード制御技術の基盤を確立することを目標としている。
2019年度は、電子スピン量子ビットの主要なエラー要因の一つである集団位相緩和をフィードフォワード適応制御によって抑制することにより、集団位相緩和時間が向上することおよび、量子ビットの制御忠実度が飛躍的に向上することを実証し、研究成果を公表した。
さらにフィードフォワード制御を用いることにより、量子ビットの位相緩和・忠実度と環境の雑音スペクトルとの関係を明らかにした。位相緩和に対しては低周波雑音成分の影響が支配的である一方で、制御忠実度に対しては高周波雑音成分が支配的であることを突き止めた。また、半導体電子スピン系においては、これらの雑音の主要な起源は核スピンの揺らぎであると従来から考えられており、本研究の結果からも低周波の雑音は各スピンに由来することが確認できた。しかしながら高周波の雑音成分は予想に反して電荷の揺らぎに由来することが判明し、今後の量子ビット忠実度向上の手がかりとなる有用な知見を得ることができた。
また、量子エラー訂正の実装においてフィードフォワード制御と合わせて必要となる量子非破壊測定をSi量子ドットにおいても実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
フィードフォワード制御による量子ビットの位相緩和抑制および高忠実度化の実験／解析および成果公表は当初計画通りに当初計画通りに進捗した。しかしデータの解析過程においては、当初想定とは異なるいくつかの要因が量子ビットの性能に影響し得ることが判明し、性能を向上したフィードフォワード制御システムの構築に時間を要したため、仕様検討のため研究期間を延長した。
一方、量子ビットの量子非破壊測定の実証および詳細な解析は計画通り進捗し、これを利用したフィードフォワード制御システムの開発は計画以上に進展している。
したがって、全体としては概ね計画通りに進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
量子ビット性能のさらなる向上に向けて、フィードフォワード制御の最適化を進める。このためには当初想定とは異なるいくつかの要件が明らかとなっており、これらを実装したシステムを開発しベンチマーク実験を実施する。
また、量子ビットの非破壊測定とフィードフォワード制御回路を組み合わせることにより、量子ビットの高精度初期化実験を試みる。従来の熱的な緩和による量子ビットの初期化と比較して、忠実度や速度の点における優位性を検証する。
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