上接： 【量子技術現在時】（一）綜述：在需求眾多的廣泛領域獲得飛躍發展
【量子技術現在時】（二）超導量子，利用摺紙結構的新型電路實現整合化
【OVERVIEW】由於量子計算機在測量和計算過程中很容易出錯，如何糾錯就成為了研究人員面對的一大課題。對此，日本理化學研究所量子功能系統研究組組長樽茶清悟全球首次成功實現了能以可糾錯的高精度來自由操控封閉在硅量子點中的兩個電子自旋。由此，靈活利用多年來積累的半導體技術，為實現半導體量子計算機開拓了道路。
樽茶清悟
理化學研究所 創發物性科學研究中心副主任
量子功能系統研究組組長
2016～2021年度CREST研究負責人
由設備故障獲得的意外成果
製造出世界上首個「人工原子」
在量子計算機的開發中，先行的方法是超導電路方式和離子阱方式，而採用當前計算機中使用的邏輯元件和記憶體等半導體技術，以實現高整合度的量子計算機的嘗試就稱為半導體方式。作為CREST「自旋量子計算的基礎技術開發」項目負責人的理化學研究所量子功能系統研究組組長樽茶清悟，於1996年製造出了世界上首個具有圓盤狀旋轉對稱的微型量子點，並利用該技術引領了半導體自旋量子計算機的研究。
從學生時代開始一直在對半導體的光物性進行研究的樽茶，曾在當時的日本電信電話術公社（現NTT）的武藏野通信研究所研究光通信的關鍵技術光導通路以及被稱為量子井雷射的二維半導體雷射。後來，他注意到1個電子也具有波的性質的，開始研究作為最小資訊單元的量子點。他解釋道「電子自旋具有像磁鐵一樣的特性，分為向上和向下兩種狀態，把向上和向下的狀態作為'0'和'1'資訊單位的就是半導體自旋量子點」。
樽茶利用在開發半導體雷射時積累的量子井技術，將電子封閉在薄膜層中，在世界上首次製作出了與原子具有相同構造的半導體自旋量子點（人工原子）。他回顧說，「其實，我當時到荷蘭代爾夫特理工大學的目的是為了做另外一個完全不同的研究，但是由於設備發生故障，原定計劃落空了。於是，我嘗試了自己閒暇時一直在思考的課題，發現了一個意想不到的特性，最終導致了人造原子的誕生。」
此外，樽茶還成功開發了一種連接兩個量子點的人工分子。當時，日本國内外許多有關量子計算機的理論提案盛行，樽茶認為利用人工原子和人工分子能夠製造出量子計算機。為了實現這一目標，必須能以高精度、自由地控制、操作和測量作為量子點的電子數量和自旋方向。他說：「雖然這是一個難度挺高的挑戰，但我認為利用我熟悉的半導體技術，可以實現高整合度的高速量子計算機，所以我一直堅持進行了半導體自旋量子點相關的基礎實驗。」
門式量子計算機是基於一個由兩個量子點連接在一起的邏輯閘來進行計算的。樽茶在實現操控一個人工原子後，又製作了兩個量子連接在一起的雙量子點，並仔細探討了高精度的操控方法。半導體方式量子計算機的主要問題是，受半導體中的雜質和溫度的影響，可保持量子資訊的量子相干時間非常短，在操作和測量過程中容易出錯。最初，樽茶將他在半導體雷射研究中所熟悉的砷化鎵（GaAs）半導體基片作為材料，但由於無法忽視砷化鎵的核自旋的影響，所以決定改用硅半導體。
實現了99%以上的準確性
未來可1個晶片可達到1億位元
在CREST課題的研究中，樽茶首先考慮了硅材料，並採用了無核自旋的硅同位素（28Si）的高純度晶體作為基片，然後對夾有硅的硅鍺（SiGe）基底層進行精細加工，通過從鋁微細門電極施加正電壓製作出了封閉電子，同時能操控電子自旋的量子點。通過此舉降低了磁場干擾，並將量子相干時間延長到了微秒（μs）級。
在糾正操控和測量過程中出現的錯誤的糾錯方面，通過操控邏輯閘基礎的1、2個量子點，推進了通用操作的高精度化，並在擷取和初始化等所有過程中都實現了99%以上的準確性。這就是跨越通用操作中「故障容許度閾值」的決定性瞬間（圖1）。樽茶說，「除了證明在硅量子點中可以實現高精度糾錯之外，我們還證明了可以使用雙量子點進行高精度量子計算。這些結果表明，具有故障容許度性能的硅量子計算機是可以實現的。」
圖1. 通過單個量子點的旋轉進行的通用操作
左圖為電子自旋狀態的能階圖。微磁體點之間的能量差異就是「↑↓（上、下）」組合的自旋要比「↓↑（下、上）」組合的自旋能階低的數量。
右圖是利用電子自旋共振進行旋轉操控的結果，自旋旋轉發生在對應左圖四個共振條件相應的頻率處，並觀察到了向上自旋機率的峰值。
樽茶的研究小組還進一步開發出了一項新的量子技術，即首次在硅基上實現了三重量子點。開發出了利用三重量子點控制在兩個以上量子狀態下出現的量子糾纏的方法（圖2）。另外，在非相鄰量子點之間生成了量子糾纏，將輸入的量子糾纏資訊映射給了其他量子點，驗證了量子傳輸的原理，成功開發並驗證了半導體量子計算機不可或缺的基礎技術。
圖2.三重量子點的電子顯微圖片
在三個門電極（P1、P2和P3）下形成了三個量子點。
紅色、綠色和藍色的圓圈分別表示量子點中的電子。
樽茶在談到未來發展前景時說:「硅量子計算機與現有的半導體積體電路技術很相配，未來製造出能在1個晶片上整合1億位元的大型量子計算機也不再是夢。今後，我們的目標是在幾十個量子點規模上確認核能電廠運轉情況，並與半導體廠家等合作進一步深化研究。」日本在半導體精加工技術領域位於當今世界最前緣。今後將充分利用這一優勢，期待能夠在硅量子計算機領域引領世界。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2022年9月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
