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

2022 年度 実績報告書

• 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, 上級研究員 (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, グループディレクター (40302799)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 量子ドット / 電子スピン / 量子ビット / 量子コンピュータ

研究実績の概要

近年、新しいパラダイムにより超高速計算を可能にする量子コンピュータの実現が切望されており、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による量子コンピュータの実装研究が進められている。しかしながら現実の量子ビットには様々なエラーが伴うため、エラーを検出し訂正することのできる物理的機構や制御回路の実現が必要である。本課題では、量子エラー訂正回路をはじめ様々なエラーの抑制・訂正に必要とされるフィードフォワード・フィードバック制御技術の基盤を確立することを目標としている。
2022年度は、Si量子ドットデバイスにおいて量子ビットへの影響が大きい電気雑音の制御に注力した。その影響が特に大きくなる2ビットゲート操作時に、電気雑音の影響による量子ビット周波数ずれを検出し、量子ビット制御電圧にフィードバックすることによって2ビット操作時の位相コヒーレンスを改善する実験を実施した。これに関連して、クーロン相互作用により近傍の量子ビットにおける雑音が一定の相関を有することを明らかにし、その影響を定量的に評価する手法を確立した。また、量子ビットの状態を測定しその結果に応じて制御パルスにフィードバックすることにより、量子ビットのアクティブリセット（初期化）を実現した。これと並行して３つの量子ビットを用いた測定によらない位相エラー訂正の実証実験も報告した。これらの技術を組み合わせることによって、測定ベースの量子エラー訂正を実現する基盤技術を確立することができた。

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] TUDelft(オランダ)
  • 国名: オランダ
  • 外国機関名: TUDelft
• [雑誌論文] Hamiltonian phase error in resonantly driven CNOT gate above the fault-tolerant threshold (2024)
  • 著者名/発表者名: Wu Yi-Hsien、Camenzind Leon C.、Noiri Akito、Takeda Kenta、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Chang Chien-Yuan、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Goan Hsi-Sheng、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: npj Quantum Information 巻: 10 ページ: 8
  • DOI: 10.1038/s41534-023-00802-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Rapid single-shot parity spin readout in a silicon double quantum dot with fidelity exceeding 99% (2024)
  • 著者名/発表者名: Takeda Kenta、Noiri Akito、Nakajima Takashi、Camenzind Leon C.、Kobayashi Takashi、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: npj Quantum Information 巻: 10 ページ: 22
  • DOI: 10.1038/s41534-024-00813-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Feedback-based active reset of a spin qubit in silicon (2023)
  • 著者名/発表者名: Kobayashi T.、Nakajima T.、Takeda K.、Noiri A.、Yoneda J.、Tarucha S.
  • 雑誌名: npj Quantum Information 巻: 9 ページ: 52
  • DOI: 10.1038/s41534-023-00719-3
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Noise-correlation spectrum for a pair of spin qubits in silicon (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoneda J.、Rojas-Arias J. S.、Stano P.、Takeda K.、Noiri A.、Nakajima T.、Loss D.、Tarucha S.
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 19 ページ: 1793～1798
  • DOI: 10.1038/s41567-023-02238-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamical nuclear spin polarization in a quantum dot with an electron spin driven by electric dipole spin resonance (2023)
  • 著者名/発表者名: Stano Peter、Nakajima Takashi、Noiri Akito、Tarucha Seigo、Loss Daniel
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 108 ページ: 155306
  • DOI: 10.1103/physrevb.108.155306
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spatial noise correlations beyond nearest neighbors in 28Si/Si-Ge spin qubits (2023)
  • 著者名/発表者名: Rojas-Arias J.S.、Noiri A.、Stano P.、Nakajima T.、Yoneda J.、Takeda K.、Kobayashi T.、Sammak A.、Scappucci G.、Loss D.、Tarucha S.
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 20 ページ: 054024
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.20.054024
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum error correction with silicon spin qubits (2022)
  • 著者名/発表者名: Takeda Kenta、Noiri Akito、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Nature 巻: 608 ページ: 682～686
  • DOI: 10.1038/s41586-022-04986-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] A shuttling-based two-qubit logic gate for linking distant silicon quantum processors (2022)
  • 著者名/発表者名: Noiri Akito、Takeda Kenta、Nakajima Takashi、Kobayashi Takashi、Sammak Amir、Scappucci Giordano、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 5740
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33453-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] シリコン量子コンピュータによる小規模量子演算の実装と課題 (2023)
  • 著者名/発表者名: 中島 峻
  • 学会等名: 第106回産研テクノサロン
  • 招待講演
• [学会発表] 離れたシリコン量子プロセッサ間の量子接続に向けた単一電子スピンシャトルによる2量子ビットゲート (2023)
  • 著者名/発表者名: Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] Building a Tiny Quantum Computer with Silicon Quantum Dots (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima
  • 学会等名: 22 nd International Conference on Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Rapid single-shot parity spin readout with fidelity exceeding 99 percent (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, Leon C. Camenzind, Takashi Kobayashi, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Pulse Shaping and Composite Pulses for Single-Qubit Gates in SiGe (2023)
  • 著者名/発表者名: Patrick Butler, Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Hamiltonian Phase Error in Resonantly Driven CNOT Gate Above the Fault-Tolerant Threshold (2023)
  • 著者名/発表者名: Yi-Hsien Wu, Leon C. Camenzind, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Chien-Yuan Chang, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Hsi-Sheng Goan, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Charge-induced energy shift of a single spin qubit under magnetic-field gradient (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Kobayashi, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Leon C. Camenzind, Ik Kyeong Jin, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Identifying the decoherence source of silicon spin qubits based on noise cross-correlation (2023)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Juan S. Rojas-Arias, Peter Stano, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Active suppression of low-frequency exchange noise in controlled-phase gate for Si/SiGe spin qubits (2023)
  • 著者名/発表者名: Yohei Kojima, Takashi Nakajima, Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Kobayashi, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Characterization of a Flip-Chip Interposer through Photon-Assisted Tunneling in a Double Quantum Dot (2023)
  • 著者名/発表者名: Ik Kyeong Jin, Takashi Nakajima, Akito Noiri, Kenta Takeda, Leon Camenzind, Yi-Hsien Wu, Misato Taguchi, Takuji Miki, Makoto Nagata, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Nuclear spin noise in nat Si/SiGe spin qubits (2023)
  • 著者名/発表者名: Juan Rojas-Arias, Yohei Kojima, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Peter Stano, Jun Yoneda, Akito Noiri, Takashi Kobayashi, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Fabrication and characterization of multiple qubit devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Leon C. Camenzind, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum computing with spin qubits in silicon (2023)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima
  • 学会等名: 36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコンスピン量子ビットによる量子コンピュータ開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中島 峻
  • 学会等名: 電気情報通信学会 量子情報技術研究会 QIT46
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体量子コンピュータ研究の現状と展望 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中島 峻
  • 学会等名: 電子情報通信学会システムナノ技術に関する特別研究専門委員会
  • 招待講演
• [学会発表] Correlated charge noise in Si/SiGe quantum dot spin qubits (2022)
  • 著者名/発表者名: Rojas Arias, Sebastian Juan, Noiri Akito, Stano Peter, Yoneda Jun, Nakajima Takashi, Takeda Kenta, Kobayashi Takashi, Loss Daniel, Tarucha Seigo
  • 学会等名: The 24th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics (HMF-24)
  • 国際学会
• [学会発表] Coherence improvement of semiconductor spin qubits via active noise cancelling (2022)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima
  • 学会等名: The 20th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコン電子スピン量子ビットにおける高忠実２量子ビット操作 (2022)
  • 著者名/発表者名: Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • 学会等名: 日本物理学会 2022年秋季大会
• [学会発表] A shuttling-based two-qubit gate for linking distant silicon quantum processors (2022)
  • 著者名/発表者名: Noiri Akito, Takeda Kenta, Nakajima Takashi, Kobayashi Takashi, Sammak Amir, Scappucci Giordano, Tarucha Seigo
  • 学会等名: 2022 Silicon Quantum Electronics Workshop
  • 国際学会
• [備考] Quantum Functional System Research Group
  • URL: http://qfsrg.riken.jp/index.html