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2018 年度 実績報告書

電子スピン量子計算の実現に向けたフィードフォワード制御

研究課題

研究課題/領域番号 18H01819
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

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)

研究分担者 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, 副センター長 (40302799)
研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2023-03-31
キーワード量子ビット / 電子スピン / 量子ドット / 量子コンピュータ / 誤り訂正 / 量子コヒーレンス
研究実績の概要

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、特に集積化に有利であ 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電子スピン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。
2018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に着目し、これをフィードフォワード適応制御によって抑制した。適応制御回路のプロトタイプを用いて実験を実施し、この結果、当初の目論見通りに集団位相緩和時間が向上することに加えて、量子ビットの制御忠実度が飛躍的に向上することを確認した。現在この研究成果について公表準備中である。
一方で、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同時に必要とされる量子ビットの「量子非破壊測定」についても、実証実験を実施した。特にその本質である非破壊性を検証するべく、詳細な実験および解析を行った。これにより、量子非破壊測定がフィードフォワード制御と組み合わせて応用する上で十分な性能を有することを実証し、今後の研究計画推進に期待の持てる結果が得られた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初計画していたフィードフォワード適応制御による量子ビットの高忠実度化に関しては、プロトタイプによる初期実験および解析を完了し、計画通りに進展している。解析の過程では、電子スピン量子ビットの緩和に関して当初想定していなかったメカニズムの役割が明らかとなった。このため解析には計画よりもやや長く時間を要したものの、想定以上の新しい知見を得ることができた。
また、量子エラー訂正を実現する際にフィードフォワード制御と合わせて必要になる量子非破壊測定について、ベンチマーキングのための詳細な実験および解析を実施した。概ね計画通りに進捗している。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画に沿って引き続き課題を推進する。すなわち、フィードフォワード適応制御による量子ビットの高忠実度化に関しては、プロトタイプによる初期実験から得られた結果に基づいて、フィードフォワード制御システムの性能向上に向けた最適化を進める。これによって量子ビットのさらなる高性能化が可能になると見込まれるため、これを実証するための実験に着手する計画である。
また、量子ビット状態の非破壊測定に基づくフィードフォワード制御に関しても、非破壊測定に関して得られた知見を元に、必要とされるフィードフォワード制御回路の実装を進める。最初の応用として、量子ビットの高精度初期化を実現することを目標として、必要な制御回路を実現する。

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 4件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (25件) (うち国際学会 18件、 招待講演 16件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Ruhr-University Bochum(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Ruhr-University Bochum
  • [国際共同研究] University at Buffalo(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University at Buffalo
  • [国際共同研究] University of Basel(スイス)

    • 国名
      スイス
    • 外国機関名
      University of Basel
  • [雑誌論文] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot?lead coupled system2019

    • 著者名/発表者名
      Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Stano Peter、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Li Sen、Noiri Akito、Ito Takumi、Loss Daniel、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 99 ページ: 085402

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.085402

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Coherent transfer of electron spin correlations assisted by dephasing noise2018

    • 著者名/発表者名
      Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Otsuka Tomohiro、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Noiri Akito、Takeda Kenta、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Hu Xuedong、Nori Franco、Tarucha Seigo
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 ページ: 2133~2133

    • DOI

      10.1038/s41467-018-04544-7

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Four single-spin Rabi oscillations in a quadruple quantum dot2018

    • 著者名/発表者名
      Ito Takumi、Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Noiri Akito、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 113 ページ: 093102~093102

    • DOI

      10.1063/1.5040280

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimized electrical control of a Si/SiGe spin qubit in the presence of an induced frequency shift2018

    • 著者名/発表者名
      Takeda K.、Yoneda J.、Otsuka T.、Nakajima T.、Delbecq M. R.、Allison G.、Hoshi Y.、Usami N.、Itoh K. M.、Oda S.、Kodera T.、Tarucha S.
    • 雑誌名

      npj Quantum Information

      巻: 4 ページ: 54~54

    • DOI

      10.1038/s41534-018-0105-z

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A fast quantum interface between different spin qubit encodings2018

    • 著者名/発表者名
      Noiri A.、Nakajima T.、Yoneda J.、Delbecq M. R.、Stano P.、Otsuka T.、Takeda K.、Amaha S.、Allison G.、Kawasaki K.、Kojima Y.、Ludwig A.、Wieck A. D.、Loss D.、Tarucha S.
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 ページ: 5066~5066

    • DOI

      10.1038/s41467-018-07522-1

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Si platform for spin-based quantum computing2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      International School of Spintronics and Korea-Japan Spintronics Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Micro-magnet Techniques for Implementing Spin-based Quantum Computing with Quantum Dots2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      Invitation for Taiwan Quantum Computer Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Versatile Spin Control for Spin-based Quantum Computing with Quantum Dots2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      Taiwan Quantum Computer Workshop
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fast CPHASE and QND using Three Spins in a Triple Quantum Dot2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      UTokyo-ANU workshop on Quantum Control and Electronic Materials and Devices
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coherent control and dephasing of electron spins in quantum dots2019

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      Electroweak interaction and Unified Theories Mesoscopic Physics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Towards quantum teleportation with quantum-dot spin qubits2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kojima
    • 学会等名
      UTokyo-ANU workshop on Quantum Control and Electronic Materials and Devices
    • 国際学会
  • [学会発表] シリコン2重量子ドットにおける位相雑音の交差相関2019

    • 著者名/発表者名
      米田 淳
    • 学会等名
      日本物理学会2019年春季大会
  • [学会発表] フィードバック制御による電子スピン量子ビットの操作忠実度の向上2019

    • 著者名/発表者名
      野入 亮人
    • 学会等名
      日本物理学会2019年春季大会
  • [学会発表] 微小磁石ESRに用いる局所磁場パラメータの解析2019

    • 著者名/発表者名
      T.Ito
    • 学会等名
      日本物理学会2019年春季大会
  • [学会発表] 電子スピンの量子テレポーテーションに向けた実験2019

    • 著者名/発表者名
      Y.Kojima
    • 学会等名
      日本物理学会2019年春季大会
  • [学会発表] Quantum control of spin qubits in different encodings in a triple quantum dot2018

    • 著者名/発表者名
      T. Nakajima
    • 学会等名
      China-Japan International Workshop on Quantum Technologies
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-fidelity and scale-up of quantum gates in Sibased quantum computing2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      DENMARK AND JAPAN STI SEMINAR QUANTUM TECHNOLOGY CREATING THE FUTURE!
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum Coherence of Spin Qubits with Limited Coupling to the Environment2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      International Symposium on Quantum Computing and Quantum Optics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum technology for implementing spin based quantum computing with high fidelity and up scaling of qubits2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      The 19th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications (ISPSA)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Control with Triple Quantum Dots: Hybrid Spin Qubit, QND, and Coherent Entanglement Transfer2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      20th ICSNN (International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] High-fidelity spin manipulation toward fault-tolerant quantum computation2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      10th International School and Conference on Physics and Applications of Spin Phenomena in Solids (PASPS10)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] QND spin readout and cohorent entanglement transfer with a triple quantum dot2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      The international workshop “Quantum Information and Correlation in Quantum Dots”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Quantum control of spin qubits in different encodings in a triple quantum dot2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      Japan-EU Joint Workshop on Advanced Quantum Technology for Future Innovation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Spin control with triple quantum dots: three spin qubits, CPHASE, entanglement transfer, and QND2018

    • 著者名/発表者名
      Seigo Tarucha
    • 学会等名
      4th School and Conference on Spin-Based Quantum Information Processing
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 隣り合わないスピン量子ビット間の量子もつれ生成2018

    • 著者名/発表者名
      中島峻
    • 学会等名
      第3回 非ノイマン型情報処理へ向けたデバイス技術分科会
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子ドットスピンを用いた量子情報2018

    • 著者名/発表者名
      樽茶清悟
    • 学会等名
      量子エレクトロニクス研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Coherent control of a spin qubit in a frequency-locked loop2018

    • 著者名/発表者名
      Takashi Nakajima
    • 学会等名
      20th International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Coherent coupling between different spin qubit encodings2018

    • 著者名/発表者名
      Akito Noiri
    • 学会等名
      20th International Conference on Superlattices, Nanostructures and Nanodevices (ICSNN2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] A quantum interface between different spin qubit encodings2018

    • 著者名/発表者名
      A. Noiri
    • 学会等名
      第8回半導体/超伝導体量子効果と量子情報の夏期研修会
  • [学会発表] Cross-correlated noise acting on spins in a silicon double quantum dot2018

    • 著者名/発表者名
      米田 淳
    • 学会等名
      Silicon quantum electronics workshop 2018
    • 国際学会
  • [備考] 隣り合わないスピン量子ビット間の量子もつれ生成に成功

    • URL

      http://www.riken.jp/pr/press/2018/20180530_1/

  • [備考] 半導体量子ビットによるハイブリッド量子計算手法の実証

    • URL

      http://www.riken.jp/pr/press/2018/20181129_2/

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公開日: 2019-12-27  

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