为实现量子计算机，世界各国都在研究各种硬件，其中有力的候补之一是使用了电子自旋的器件。该器件将一个电子限制在微小半导体中作为一个量子点，并将其自旋用于信息处理。目前，自旋方向的控制及读出等基本技术的开发正在快速推进之中，但量子点的集成化是面临的一个重要课题。到目前为止，虽然已有2行2列及3行3列这样的量子点二维排列，但对于被视为能有效控制电子自旋的微小磁铁自旋共振，目前还无法实现量子点二维排列。
图1 具有微小磁铁的量子点2行2列阵列示意图（供图：九州大学）
在半导体基板（浅橙色）表面制作栅电极（绿色），施加负电压形成量子点。在栅电极上制作有微小磁铁（黑色块）。省略了栅电极和微小磁铁之间的绝缘膜。
九州大学大学院系统情报科学研究院的木山治树副教授、大阪大学产业科学研究所的中村骏吾研究生（研究当时）、大岩显教授的研究团队，为实现量子点二维排列的电子自旋控制，通过对微小磁铁产生的磁场分布进行数值模拟，开发出了2行2列量子点排列用微小磁铁的形状设计方法。形状优化后，以硅为材料的量子点精度估计能达到99%以上，有望达到容错所需的高精度控制。该成果已在线刊登在Journal of Applied Physics上，同时被Featured Article及其封面采用。
图2 2行2列量子点排列周边的平面磁场强度分布模拟结果例。黑点为量子点位置。（提供：九州大学）
研究团队今后会在本次取得的设计基础上，实际制作2行2列量子点排列用微小磁铁，努力实现电子自旋控制并对其进行精度评价。其后，研究团队会进一步致力于用更大的排列进行自旋控制，实现20～30年后的半导体量子计算机。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of applied physics
论文：Micromagnet design for addressable fast spin manipulations in a 2 × 2 quantum dot array
DOI：10.1063/5.0088840
