上接： 【量子技术现在时】（一）综述：在需求众多的广泛领域获得飞跃发展
【量子技术现在时】（二）超导量子，利用折纸结构的新型电路实现集成化
【OVERVIEW】由于量子计算机在测量和计算过程中很容易出错，如何纠错就成为了研究人员面对的一大课题。对此，日本理化学研究所量子功能系统研究组组长樽茶清悟全球首次成功实现了能以可纠错的高精度来自由操控封闭在硅量子点中的两个电子自旋。由此，灵活利用多年来积累的半导体技术，为实现半导体量子计算机开拓了道路。
樽茶清悟
理化学研究所 创发物性科学研究中心副主任
量子功能系统研究组组长
2016～2021年度CREST研究负责人
由设备故障获得的意外成果
制造出世界上首个“人工原子”
在量子计算机的开发中，先行的方法是超导电路方式和离子阱方式，而采用当前计算机中使用的逻辑元件和存储器等半导体技术，以实现高集成度的量子计算机的尝试就称为半导体方式。作为CREST“自旋量子计算的基础技术开发”项目负责人的理化学研究所量子功能系统研究组组长樽茶清悟，于1996年制造出了世界上首个具有圆盘状旋转对称性的微型量子点，并利用该技术引领了半导体自旋量子计算机的研究。
从学生时代开始一直在对半导体的光物性进行研究的樽茶，曾在当时的日本电信电话公社（现NTT）的武藏野通信研究所研究光通信的关键技术光导通路以及被称为量子阱激光器的二维半导体激光器。后来，他注意到1个电子也具有波的性质的，开始研究作为最小信息单元的量子点。他解释道“电子自旋具有像磁铁一样的特性，分为向上和向下两种状态，把向上和向下的状态作为'0'和'1'信息单位的就是半导体自旋量子点”。
樽茶利用在开发半导体激光器时积累的量子阱技术，将电子封闭在薄膜层中，在世界上首次制作出了与原子具有相同构造的半导体自旋量子点（人工原子）。他回顾说，“其实，我当时到荷兰代尔夫特理工大学的目的是为了做另外一个完全不同的研究，但是由于设备发生故障，原定计划落空了。于是，我尝试了自己闲暇时一直在思考的课题，发现了一个意想不到的特性，最终导致了人造原子的诞生。”
此外，樽茶还成功开发了一种连接两个量子点的人工分子。当时，日本国内外许多有关量子计算机的理论提案盛行，樽茶认为利用人工原子和人工分子能够制造出量子计算机。为了实现这一目标，必须能以高精度、自由地控制、操作和测量作为量子点的电子数量和自旋方向。他说：“虽然这是一个难度挺高的挑战，但我认为利用我熟悉的半导体技术，可以实现高集成度的高速量子计算机，所以我一直坚持进行了半导体自旋量子点相关的基础实验。”
门式量子计算机是基于一个由两个量子点连接在一起的逻辑门来进行计算的。樽茶在实现操控一个人工原子后，又制作了两个量子连接在一起的双量子点，并仔细探讨了高精度的操控方法。半导体方式量子计算机的主要问题是，受半导体中的杂质和温度的影响，可保持量子信息的量子相干时间非常短，在操作和测量过程中容易出错。最初，樽茶将他在半导体激光研究中所熟悉的砷化镓（GaAs）半导体基片作为材料，但由于无法忽视砷化镓的核自旋的影响，所以决定改用硅半导体。
实现了99%以上的准确性
未来可1个芯片可达到1亿比特
在CREST课题的研究中，樽茶首先考虑了硅材料，并采用了无核自旋的硅同位素（28Si）的高纯度晶体作为基片，然后对夹有硅的硅锗（SiGe）基板进行精细加工，通过从铝微细门电极施加正电压制作出了封闭电子，同时能操控电子自旋的量子点。通过此举降低了磁场干扰，并将量子相干时间延长到了微秒（μs）级。
在纠正操控和测量过程中出现的错误的纠错方面，通过操控逻辑门基础的1、2个量子点，推进了通用操作的高精度化，并在读取和初始化等所有过程中都实现了99%以上的准确性。这就是跨越通用操作中“容错阈值”的决定性瞬间（图1）。樽茶说，“除了证明在硅量子点中可以实现高精度纠错之外，我们还证明了可以使用双量子点进行高精度量子计算。这些结果表明，具有容错性能的硅量子计算机是可以实现的。”
图1. 通过单个量子点的旋转进行的通用操作
左图为电子自旋状态的能级图。微磁体点之间的能量差异就是“↑↓（上、下）”组合的自旋要比“↓↑（下、上）”组合的自旋能级低的数量。
右图是利用电子自旋共振进行旋转操控的结果，自旋旋转发生在对应左图四个共振条件相应的频率处，并观察到了向上自旋概率的峰值。
樽茶的研究小组还进一步开发出了一项新的量子技术，即首次在硅基上实现了三重量子点。开发出了利用三重量子点控制在两个以上量子状态下出现的量子纠缠的方法（图2）。另外，在非相邻量子点之间生成了量子纠缠，将输入的量子纠缠信息映射给了其他量子点，验证了量子传输的原理，成功开发并验证了半导体量子计算机不可或缺的基础技术。
图2.三重量子点的电子显微图片
在三个门电极（P1、P2和P3）下形成了三个量子点。
红色、绿色和蓝色的圆圈分别表示量子点中的电子。
樽茶在谈到未来发展前景时说:“硅量子计算机与现有的半导体集成电路技术很相配，未来制造出能在1个芯片上集成1亿比特的大型量子计算机也不再是梦。今后，我们的目标是在几十个量子点规模上确认运行状态，并与半导体厂家等合作进一步深化研究。”日本在半导体精加工技术领域位于当今世界最前沿。今后将充分利用这一优势，期待能够在硅量子计算机领域引领世界。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
原文：JSTnews 2022年9月号
翻译：JST客观日本编辑部
