Ono Keiji, Ishibashi Ultra Micro Device Engineering Laboratory, Riken (Riken) (Riken) (양자 효과 장치 연구 팀의 전임 연구원, 신흥 재료 과학 센터), National Institute of Advanced Industrial Science (AIST)NanoElectronics Research DivisionNanocmos 축적 그룹의 최고 연구원 Mori Takahiro의 공동 연구 그룹^*is silicon양자 비트^[1]고온에서 10K (약 -263 ° C)

이 연구 결과는 소형 냉각 장치에서도 작동 할 수있는 큐 비트로 달성되었으며 센서와 같은 큐 비트의 광범위한 응용으로 이어질 수 있습니다

In Silicon전자 스핀^[2]기존 실리콘 트랜지스터 제조 기술을 사용하여 제조 할 수 있으며 기존의 실리콘 통합 회로와의 우수한 연결성으로 인해 관심을 끌고 있습니다 그러나 지금까지 실리콘 큐브트는 01k (약 -273 ° C) 미만의 매우 추운 환경에서만 작동했으며,이를 식히기 위해서는 큰 장비가 필요했습니다

이번에는 공동 연구 그룹이 "깊은 안전한 바카라 사이트^[3](알루미늄-질소 안전한 바카라 사이트 쌍)의 전자 스핀을 사용함으로써, 전기 (10K)에서의 큐 비트 작동이 전보다 100 배 이상 높습니다 특히,터널 필드 효과 트랜지스터^[4]깊은 안전한 바카라 사이트이 구조에 도입되고 깊은 안전한 바카라 사이트의 전자가 트랜지스터 전극으로 추출되고 "스핀 폐쇄 현상^[5]" "를 사용함으로써 큐 비트의 상태는 트랜지스터의 전기적 특성으로 읽었습니다

이 연구는 영국 과학 저널을 기반으로합니다 "과학 보고서'의 온라인 버전에 게시됩니다 (1 월 24 일 : 일본 1 월 24 일)

그림 : 터널 필드 효과 트랜지스터 (전송 전자 현미경 이미지) 및 "깊은 안전한 바카라 사이트"(단순화 된 다이어그램)

*협동 연구 그룹
Riken Research Institute, Ishibashi Ultra Micro Device Laboratory, 개발 연구 본부
　　정규 연구원 Ohno Keiji
　　(완전한 연구원, Quantum Effect Device Research Team, Research Center, Emerging Materials Science)
Nanocmos Integrated Group, Nano-Electronics Research Division, 바카라 커뮤니티
　　최고 연구원 Mori Takahiro
Nanoarchitectonics 국제 재료 및 재료 연구 연구소 연구소
　　양자 장치 엔지니어링 그룹
　　수석 연구원 모리 야마 사토시

*연구 지원
이 연구는 일본 과학 홍보 (JSPS) 과학 연구 (JSPS) 기본 연구 (JSPS) 기본 연구 B "Spin Quantum Bits와 Silicon MOS 기술 및 대규모 규모 통합 (Principal Researcher : Ohno Keiji), Ohno Keiji), Silicon Research of Silicon Research의 연구에 대한 연구자 (Ohno Keiji)와 일본 과학 연구 B"스핀 Quantum Bits의 지원을 받았습니다 Moriyama Satoshi), 기본 연구원 "터널 트랜지스터의 트랩 엔지니어링 (주요 연구원 : Mori Takahiro), 기본 연구원"실리콘 양자 비트 통합을위한 기본 스핀 커플 링 기술의 생성 (주요 연구원 : Yasuda Tetsuji), 주요 연구 (Fundernectronics) 요코야마 나오키) " 이 연구 주제는 현재 세계 최초 및 최초의 기술에 대한 Riken과 AIST (Riken-Aist "Challenge Research") 간의 기본 계약에 의해 채택되고 지원되고 있습니다

양자 비트는 0과 1을 취하는 비트이며, 양자 기계적 중첩 상태입니다 많은 큐브를 결합하여양자 컴퓨터^[6]구축되지만 센서가 큐 비트만으로도 센서에 적용될 것으로 예상됩니다

특히, 실리콘에서 전자 스핀을 사용한 실리콘 큐빗은 기존 실리콘 기술로 제작 될 수 있으며 기존의 실리콘 통합 회로와의 우수한 연결성으로 인해 관심을 끌고 있습니다 그러나, 초전도 회로를 사용한 초전도 큐 비트와 마찬가지로, 기존의 실리콘 큐브는 작동을 위해 01k (약 -273 ° C) 이하의 매우 냉간 환경이 필요합니다 이 온도를 생성하는 냉각 장치는 단위당 약 1 억 엔으로 비쌉니다²큰 설치 공간이 필요하며, 문제는 장치에 시편을 소개하고 제거하는 데 매번 몇 시간이 걸린다는 것입니다

따라서 공동 연구 그룹은 이전보다 더 높은 온도에서 작동 할 수있는 실리콘 큐 비트를 개발하려고 시도했습니다 고온에서 작동하는 큐 비트에는 샘플을 쉽게 교환 할 수있는 작고 저렴한 냉각 장치가 필요하며 연구 개발 비용, 공간 및 시간을 절약하여 향후 연구 개발을 가속화 할 수 있습니다

실리콘 큐 비트는 실리콘 (위쪽, 아래쪽 또는 양자 중첩)에서 국소 전자의 스핀 상태입니다 고온에서 작동하는 큐 비트열 에너지로 인한 교란^[7]보다 열등하지 않은 더 강한 국소 전자가 필요합니다 국소화 된 전자를 실현하는 한 가지 방법은 좁은 영역에서 전자를 3 차원으로 제한하는 양자점 구조를 사용하는 것입니다 그러나이 방법을 사용하여 강력한 현지화를 달성하기 위해서는 전자가 매우 작은 지역에 국한되어야하므로 최신 가공 기술로 달성하기가 어렵습니다 또 다른 두 번째 방법은 안전한 바카라 사이트을 사용하는 것입니다 이것은 안전한 바카라 사이트에 의해 형성된 에너지 수준을 활용하고, 하나의 안전한 바카라 사이트, 즉 원자 크기 양자점의 구속을 달성하는 데 해당한다 지금까지 인 (얕은 안전한 바카라 사이트)과 같은 일반적인 안전한 바카라 사이트이 사용되었지만 전자가 얕은 안전한 바카라 사이트로 강하게 국한되지 않는다는 문제가있었습니다 따라서 공동 연구 그룹은 실리콘에서 "깊은 안전한 바카라 사이트"을 사용했습니다 인 및 붕소와 같은 얕은 안전한 바카라 사이트 외에도 실리콘에서 많은 깊은 안전한 바카라 사이트이 알려져 있습니다 얕은 안전한 바카라 사이트과 마찬가지로, 기존 기술을 사용하여 깊은 안전한 바카라 사이트을 실리콘에 도입 할 수 있으며, 단일 요소로 구성된 안전한 바카라 사이트 외에도 알루미늄 안전한 바카라 사이트에 의해 만들어진 안전한 바카라 사이트 쌍과 가까운 근접에서 질소 안전한 바카라 사이트도 깊은 수준을 형성합니다 따라서,이 연구의 큐 비트는 알루미늄-질소 안전한 바카라 사이트 쌍을 사용하여 만들어졌다

전기 신호로 큐 비트 상태를 읽으려면 깊은 안전한 바카라 사이트 전자를 트랜지스터 전극으로 추출해야합니다 안전한 바카라 사이트 전자를 전극으로 전달터널 효과^[8]에서 발생합니다 그러나 기존의 트랜지스터 구조에서는 이것이입니다터널 배리어^[8]전자를 올바르게 추출하기에는 너무 두껍습니다 따라서, 터널 필드 효과 트랜지스터 요소를 사용함으로써, 우리는이 터널 장벽을 얇게하고 전자를 전극으로 추출 할 수있었습니다 (그림 1 및 2)

그림 1 터널 필드 효과 트랜지스터 (전송 전자 현미경 이미지) 및 "깊은 안전한 바카라 사이트"(단순화 된 다이어그램) 이 시간에 생성 된 실리콘 큐 비트를 깨닫는 터널 필드 효과 트랜지스터의 변속기 전자 현미경 이미지에 도입 된 깊은 안전한 바카라 사이트은 빨간색 점으로 표시됩니다 소스 전극으로부터 배수 전극으로 흐르는 전자는 게이트 전극의 전압에 의해 제어된다 1nm은 1/1 미터입니다

그림 2 : 기존 트랜지스터 (왼쪽 다이어그램) 및 터널 필드 효과 트랜지스터 (오른쪽 다이어그램) 기존의 트랜지스터는 N 형 소스 및 배수 전극 (왼쪽 상단)으로 만들어지는 반면,이 시간에 사용 된 터널 필드 효과 트랜지스터는 N 형 소스 및 P 형 배출 전극 (오른쪽 상단)으로 구성됩니다 아래 다이어그램은 각 트랜지스터에 해당하는 전도 전자에서 보이는 에너지의 개략도입니다 기존 트랜지스터와 달리 터널 필드 효과 트랜지스터는 비교적 얇은 터널 장벽으로 인해 깊은 수준을 통해 터널 전도를 허용합니다

전극으로 추출 된 전자의 스핀 상태를 읽는 방법은 스핀 폐쇄 현상이었다 (도 3) 이 방법을 사용하면 다른 안전한 바카라 사이트 (장벽 안전한 바카라 사이트)을 통해 제거 될 때까지 전극으로의 스핀을 읽고 자하는 안전한 바카라 사이트 (표적 안전한 바카라 사이트)에서 전자를 추출 할 수 있습니다 그 다음에Paul의 독점 규칙^[9](13330_13400 |)로 알려진 양자 기계적 효과로 인해 두 가지 안전한 바카라 사이트이 동일한 스핀 상태를 갖는 경우 전자가 서로 접근 할 수 없으며 전극으로 추출 할 수 없습니다

반면에, 스핀 상태가 다르면 전자가 서로 접근하여 같은 위치에 들어가서 장벽 안전한 바카라 사이트을 통해 전극으로 추출 할 수 있습니다 결과적으로, 표적 안전한 바카라 사이트의 전자 스핀 상태는 전기 신호로서 판독 될 수있다 이 판독 방법 외에도자기 공명^[10]우리는 기술을 사용하여 전자 스핀 상태를 수행하여 큐 비트의 작동을 확인했습니다

그림 3 스핀 폐쇄로 인한 스핀 상태의 읽기 소스, 배수 전극 및 트랜지스터의 두 가지 안전한 바카라 사이트 (표적 및 장벽)의 도식 다이어그램 왼쪽 이미지는 장벽 안전한 바카라 사이트의 전자 스핀과 동일한 상태에서 표적 안전한 바카라 사이트의 전자 스핀을 보여줍니다 (둘 다 상향 화살표로 표시됨) Pauli 독점 법으로 인해 표적 안전한 바카라 사이트의 전자는 장벽 안전한 바카라 사이트로 이전 될 수 없습니다 오른쪽의 다이어그램은 전자 스핀이 표시되는 다른 상태 (위쪽 및 아래쪽 화살표로 표시됨)를 보여주고 표적 안전한 바카라 사이트의 전자 스핀은 장벽 안전한 바카라 사이트을 통해 배수 전극으로 이동할 수 있습니다

이번에는 알루미늄-질소 안전한 바카라 사이트 쌍을 목표 안전한 바카라 사이트로 사용했으며, 원래 장치에 포함 된 얕은 안전한 바카라 사이트을 장벽 안전한 바카라 사이트로 사용했습니다 결과적으로, 큐 비트 작동은 최대 온도 10K (-263 ° C)에서 성공했습니다 이 온도는 기존 실리콘 큐 비트의 작동 온도 (01k 미만)보다 100 배 이상 높습니다

이 백서에서는 공동 연구 그룹입니다단일 전자 전도^[11]를 사용하여 깊은 안전한 바카라 사이트 만 평가했습니다 깊은 안전한 바카라 사이트의 전자가 실온에서도 강하게 국한되어 있음을 확인하기 위해

이 연구에서 작동 온도의 상한은 장벽 안전한 바카라 사이트이 얕은 안전한 바카라 사이트이었고 스핀 상태는 열 에너지에 의해 방해 되었기 때문에 10K로 제한됩니다 미래에는 깊은 안전한 바카라 사이트이 장벽 안전한 바카라 사이트에 사용될 수 있으므로 더 높은 온도 작동을 달성 할 수 있습니다

이번에 실현 된 고온 작동 실리콘 큐 비트에는 큐 비트가 트랜지스터에 내장되어있는 구조가있어 개별 큐이트와 같은 센서와 같은 응용 분야에 적합합니다 양자 컴퓨터 건설에 필요한 비트 투 비트 커플 링 기술의 실현은 미래에 도전이 될 것입니다

<title>
실리콘 qubit의 고온 작동
<저자 이름>
Keiji Ono, Takahiro Mori 및 Satoshi Moriyama
<magazine>
과학 보고서
<doi>
101038/s41598-018-36476-z

[1] Quantum Bit

전자 스핀 등의 방향으로 인코딩 된 가장 작은 정보 단위는 정상적인 디지털 회로에서, 정보는 "0 또는 1"의 두 상태에서 유지되는 반면, 큐 비트에서는 "0"(중첩 상태)은 어떤 비율로든 어떤 비율로든 표현 될 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

[2] 전자 스핀

전자가 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전하는 회전의 내부 자유도 이 회전의 방향에 따라 위 또는 아래쪽 화살표로 표시됩니다[참조로 돌아 가기]

[3] Deep Impurity

인 및 붕소와 같은 N- 타입 및 P- 타입의 극성을 결정하는 안전한 바카라 사이트은 일반적으로 원자가 대역 또는 전도 대역의 밴드 가장자리 근처의 에너지 위치에서 안전한 바카라 사이트 수준을 생성합니다 밴드 가장자리와 밴드 에지 사이의 에너지 차이가 작기 때문에 이것들은 얕은 안전한 바카라 사이트이라고합니다 일반적인 얕은 안전한 바카라 사이트 외에도, 많은 알려진 안전한 바카라 사이트은 밴드 엣지와 밴드 에너지 사이의 에너지 차이가 크지 않은 위치에서 레벨을 생성하는 것, 즉 실리콘 밴드 갭의 중심 근처에있는 에너지 위치에있는 레벨을 갖는 위치에서 수준을 생성하는 것입니다 이온 이식 기술과 같은 기존 실리콘 기술을 사용하여 깊은 안전한 바카라 사이트을 실리콘으로 도입 할 수 있습니다 단일 원소로 구성된 안전한 바카라 사이트 외에도, 안전한 바카라 사이트 쌍은 알루미늄 안전한 바카라 사이트의 근접성에 의해 형성되고 질소 안전한 바카라 사이트도 깊은 수준을 형성합니다 이 알루미늄-질소 안전한 바카라 사이트 쌍이이 연구에 사용되었습니다 이러한 깊은 안전한 바카라 사이트 중 일부는 실온에서도 강하게 국한되어 실리콘 밴드 갭 내에서 안전한 바카라 사이트 수준을 만듭니다[참조로 돌아 가기]

얕고 깊은 안전한 바카라 사이트

[4] 터널 필드 효과 트랜지스터

N- 타입 소스 전극 및 P 형 드레인 전극으로 구성된 밴드 인터 밴드 터널 (Zener Tunnel)은 게이트 전압 및 N- 전도 (P- 전극)에 의해 P- 타입 (또는 N- 타입)으로 구동되는 채널 사이의 흐름을 담당합니다 그것은 기존의 MOSFET의 이론적 한계를 깨뜨리는 가파른 스위칭을 허용하기 때문에 매우 낮은 전력 소비 요소로 주목을 끌고 있습니다 채널 길이가 짧은 터널 필드 효과 트랜지스터는 게이트 변조 핀 구조로 간주 될 수 있으며, 채널에 깊은 안전한 바카라 사이트이 도입되면, 트랜지스터의 소스와 배수 전극 사이의 안전한 바카라 사이트 레벨 흐름 (소스 전극 → 깊은 안전한 바카라 사이트 수준 → 배수 전극) 사이의 안전한 바카라 사이트 레벨이 흐르는 터널 전류[참조로 돌아 가기]

[5] 스핀 클로저 현상

두 개의 안전한 바카라 사이트 레벨을 통한 터널 전류가 트랜지스터의 소스와 배수 전극 사이 (소스 전극 → 안전한 바카라 사이트 수준 1 → 안전한 바카라 사이트 레벨 2 → 배수 전극) 사이에 흐르는 경우, 특정 조건이 충족되면 스핀 상태에 의존하는 터널 효과가 나타납니다 스핀 의존성은 Pauli의 독점 규칙에 기인하며, 각 안전한 바카라 사이트의 스핀 상태가 동일 할 때, 안전한 바카라 사이트 사이의 터널이 차단되고 소스와 배수 전극 사이의 전류가 억제됩니다 전자 스핀의 상태를 변경함으로써 (qubit을 반전),이 폐쇄는 방출되고 전류 흐름이 발생합니다 비교적 간단한 장치 구조로 실현 될 수 있기 때문에 스핀 큐 비트를 읽는 표준 방법 중 하나입니다 또한 열 에너지 하에서 큐 비트를 형성하는 2 레벨 시스템 사이의 에너지 차이보다 훨씬 큰 기능을 수행하여 고온에서 큐 비트를 읽는 데 적합합니다[참조로 돌아 가기]

[6] Quantum Computer

양자 역학에서 중첩을 사용하여 대규모 병렬 계산을 실현하는 컴퓨터 기존 컴퓨터에서 몇 시간 내에 천문학적으로 시간 소모적 인 인수화 문제를 해결할 수있는 양자 알고리즘이 개발되었으며 초고속 계산에 가능하다고 생각됩니다[참조로 돌아 가기]

[7] 열 에너지로 인한 교란

실리콘에 위치한 전자는 원자와 유사한 개별 에너지 상태를 취합니다 전자가 국소화 될수록 더욱파가 더 높습니다 특정 온도의 실리콘은 그 온도에 비례하는 에너지 (열 에너지)를 가지며, 국소 전자의 불연속 에너지 간격이 열 에너지보다 작 으면 전자가 자주, 무질서하게 고 에너지 상태로 이동합니다 이 경우, 양자 상태는 파손되며 큐 비트 역할을하지 않습니다[참조로 돌아 가기]

[8] 터널 효과, 터널 배리어

입자가 잠재적 장벽이라고 불리는 높은 벽과 같은 것을 만나면, 고전적인 역학은 입자가 잠재적 장벽을 초과하는 운동 에너지를 얻지 않는 한 장벽을 넘어서는 도달 할 수 없음을 시사합니다 그러나, 양자 역학이 자신의 운동을 이해하기 위해 필요한 전자와 같은 작은 입자의 경우, 높은 운동 에너지를 얻지 않고도 특정 확률로 잠재적 장벽을 지나갈 수 있습니다 이러한 현상을 터널 효과 또는 터널 현상이라고합니다[참조로 돌아 가기]

[9] Pauli의 독점 규칙

양자 역학의 원리는 둘 이상의 페르미아 입자가 동일한 양자 상태를 차지할 수 없으며, 여기서는 두 개의 전자 스핀이 동일한 위치에서 동일한 상태를 취할 수 없다는 사실에 해당합니다[참조로 돌아 가기]

[10] 자기 공명

전자 스핀과 같은 자기 모멘트는 정적 자기장 (이 연구에서 약 05 TESLA)에서 일정한 각도 주파수 (약 10GHz)에서 정적 자기장 방향 (세차 축) 주위에 서로를 경운합니다 각 주파수와 동일한 주파수를 갖는 교대 자기장이 자기 모멘트에 수직 인 방향으로 정적 자기장에 적용되는 경우, 자기 모멘트는 항상 특정 방향으로 새로운 정적 자기장을 느끼고 침전 축이 변합니다[참조로 돌아 가기]

[11] 단일 전자 전도

안전한 바카라 사이트 (소스 전극 → 국소화 된 수준 → 배수 전극)과 같은 국소 수준을 통해 소스와 배수 사이의 터널 전도에서 특징적으로 나타납니다 안전한 바카라 사이트 수준이 강하게 국한되기 때문에, 강한 쿨롱 반발은이를 통과하는 2 개 이상의 전자 사이에 작용하여 전기 전도를 억제합니다 게이트 전압을 조정함으로써,이 쿨롱 반발은 보상 될 수 있지만,이 경우, 2 개 이상의 전자는 안전한 바카라 사이트에 함유 될 수 없으므로, 각 전자는 소스 사이에서 정기적으로 흐르고 국소화 된 수준을 통해 소스 사이에 정기적으로 흐릅니다 이 현상은 쿨롱 반발 에너지보다 작은 온도에서만 발생합니다[참조로 돌아 가기]