阪大ら,3個以上のスピンが揃った多電子を読出し

大阪大学,東京大学,理化学研究所は,量子ドット中の3個以上の多電子について,スピンが揃った状態の読み出しに成功した(ニュースリリース)。

量子力学に基づいて情報の伝達や計算を行なう量子情報処理において,有力なハードウェア候補として電子のが注目されている。

電子1個を微小な半導体に閉じ込め(量子ドット),そのスピンを情報処理に利用する。現在,スピンの向きの制御や量子ドットの集積化といった基盤技術の開発が急速に進められている。

電子1個ではなく,複数個の電子が作るスピンも量子情報処理に利用できる。電子1個の場合スピンは2種類だが,電子の個数を増やしていくと,スピン状態の数も増えていく。使えるスピン状態の数を増やすと,スピンで表せる情報量の増加や,計算ステップ数の削減などの利点が期待される。

スピンを情報処理に利用するためには,スピン情報の読み出技術も必須となる。これまでに,電子1個や2個のスピン情報の読み出しは達成されているが,3個以上の多電子の場合,全てのスピンが揃った「高スピン状態」か,それともスピンが互いに逆を向いた「低スピン状態」かの読み出しがまだ実現されていなかった。

研究グループは,スピンが揃ったまま多電子を電子2個に変換する方法を着想し,変換後の2電子スピン情報から類推することで,多電子の高スピン状態の読み出しに成功した。

研究では,ガリウム砒素(GaAs)をベースとした二次元電子上に量子ドットを作製し,量子ホール効果によって量子ドット近傍に形成されるエッジ状態を用いて,上向きスピンを持った電子だけを高精度でドットから取り除く手法を確立した。

これによって,スピンが揃ったまま多電子を電子2個に変換することができる。この電子2個のスピンを測ることによって,元の多電子の高スピン状態の読み出しを行なった。

また,この読み出し方法を利用して高スピン状態の時間変動を観測したところ,低スピン状態に比べて,10倍ほど速く変動することが判明。この速い変動の起源について理論計算を行ない,電子相関の影響によるものであることが示唆されたという。

この研究成果により,多電子の高スピン状態を使った演算やメモリ機能などの基盤研究が可能になる。また,量子ドットは様々な物質で作ることができ,例えばシリコンを使った量子ドットはスピン情報を長時間保持できるというメリットがある。

この研究で開発した読み出し方法はシリコンを含めた様々な物質に適用できるため,研究グループでは,多電子の高スピンを利用した超高速・大容量の量子情報処理が期待されるとしている。

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