面向量子電腦，世界各國正在研究多種硬體候選技術，其中一種有力的候選方案是將單個電子侷限在微小的半導體中（量子點），利用其自旋作爲資訊載體。在使用單個電子自旋的量子位元（自旋量子位元）時，通常是將自旋方向的資訊轉換爲電荷有無的資訊（自旋電荷轉換），並透過檢測這種電荷資訊來實施自旋量子位元的擷取的。此前的研究已經報告了多種自旋電荷的轉換方式，並已實施了超過99%的高精度擷取。然而，要實施高精度擷取，對量子點所需的性能和操作環境有十分苛刻的要求，這已成爲未來實際應用的一個主要侷限因素。
九州大學研究生院系統資訊科學研究院的木山治樹副教授、大阪大學產業科學研究所的大岩顯教授的研究團隊對現有的自旋電荷轉換方式——「單鎖存法」進行了改良，設計了一種不依賴於自旋量子位元性能，且能夠大幅降低擷取誤差的新型自旋電荷轉換方法（雙鎖存法）。該研究成果已經發表在《npj Quantum Information》的網頁版上。
圖1 本研究中使用的GaAs雙量子點電子顯微鏡照片。它還具備擷取量子位元所需的電荷計量子點。（供圖：九州大學）
研究團隊將該方法應用於實際的量子點，實施了與迄今爲止的世界最高精度相當的高精度擷取。此外，既往擷取方法在量子點大規模陣列中擷取精度會下降，所以開發可用於大規模陣列中也能進行高精度擷取的方法一直是一項挑戰，但雙鎖存法即使在大規模陣列中也可以進行高精度的擷取。舉例來說，在單鎖存法中，擷取精度高度依賴於量子位元狀態之間的能量差，某些器件的擷取精度可能低於70%，而使用雙鎖存法後，無論什麼樣的器件，擷取精度均可以大幅提升。
基於此次的成果，有望能促進半導體自旋量子位元大規模陣列的研發，並且在打造大規模半導體量子電腦方面取得進展。
今後，研究團隊將把其應用於實際的中等規模量子點陣列中，對高度擷取精度的保持情況進行實證檢驗。然後，還將擴展研究，探討將該技術應用於更大規模陣列中，研究其與量子位元控制等其他基礎技術的相容性，力爭在未來20～30年後實施半導體量子電腦。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：npj Quantum Information
論文：High-fidelity spin readout via the double latching mechanism
DOI：10.1038/s41534-024-00882-1
