半導体量子ビットを大規模化するために必要な空間的な自由度を確保するため、スピン量子ビットの中距離量子結合に取り組みます。半導体のナノスケールの集積性能を最大限に引き出すためには、量子情報の制御に必要なマイクロスケールの回路を考慮し、量子ビットのプロセッサーを構成する必要があります。中距離量子結合技術の開発により、量子ビットアレイ間の非局所的な結合を実現し、柔軟なビット配置の設計が可能になります。
本研究開発項目では、配線や電圧要件の異なる伝送方式の研究開発を行い、各段階に応じて効率的な方式を選択できるよう広く取り組みます。スピン量子ビットの伝送には、既存の量子ビットの安定的閉じ込め、および制御技術に加え、半導体量子ビットを空間的に移動させる仕組みが必要です。その上で、量子計算素子内に組み込む効率の良い結合技術として採用するために、半導体中を移動するスピン量子状態の物理の解明から、原理実証や、量子結合機能を達成する試作構造の開発を行います。スピン量子ビットの伝送を基に、量子ビットアレイの結合を可能にし、誤り耐性付き量子ビットの新たな構成の基盤を築くことを目指します。

半導体量子ビットの中距離伝送としていくつかの候補が検証されている中、本研究ではこれまで、電荷を移動させるシャトリング方式と、スピンを移動させるスピン鎖方式の２種類の研究開発を推進してきました。

- スピンを電子ごと運ぶシャトリング方式

電荷結合素子として半導体産業でなじみのある伝送形式が、単一電子スピン量子ビットにも適合しやすいと考えられます。その際、電子スピンを安定して閉じ込め、コヒーレンスを保つことが重要です。これまで、もつれ状態を３サイト先へ順次トンネルさせること、あるいは量子ビットを２サイト間で多数回往復させる検証などが先行し、項目１の予備成果として２サイト先の量子ビットとの二量子ビットゲートが示されています。