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シリコン量子ビット素子の特性が长い周期で変化する主な原因を特定 量子コンピューターの安定动作を実现する基本素子の製造技术开発に前进

国立研究開発法人 産業技術総合研究所／学校法人 东京电机大学

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ポイント

?シリコン贵颈苍型量子ビット素子における长周期の特性変化を解析
?絶縁膜/半导体界面における电子のトラップ现象が特性変化の原因であることを初めて特定
?量子コンピューターの利用可能时间を制限する各素子の状态诊断?调整作业の軽减に前进

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概 要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所（以下「産総研」という）先端半導体研究センター 新原理シリコンデバイス研究チーム 岡 博史 主任研究員、浅井 栄大 主任研究員、加藤 公彦 主任研究員、森 貴洋 研究チーム長は、东京电机大学 森山 悟士 教授らと共同で、シリコン量子ビット素子の长周期の特性変化の原因を初めて特定しました。
量子コンピューターの基本素子である量子ビットは、数十秒や数时间以上の长い时间が経过した后に特性が変化し、时间がたつと元の特性に戻ることを繰り返す、といった长周期での特性変化が生じることが知られています。実运用されている量子コンピューターでも、时间単位での长周期の特性変化が観测されています。量子ビットの特性が変化した状态で计算を行うとエラーが生じるため、定期的な状态の诊断と调整が必要です。调整作业には数时间を要する场合もあり、量子コンピューターの利用可能时间を制限しています。高集积量子コンピューターに向けて开発が进むシリコン量子ビット素子においても长周期の特性変化が生じますが、その原因は未解明でした。本研究では、シリコン型の中でも高集积化への期待が高い贵颈苍型量子ビット素子に生じる特性変化の原因が、絶縁膜/半導体界面の欠陥であることを世界で初めて特定しました。本成果により、シリコン量子コンピューターの安定動作に向けた量子ビット素子の製造技術開発に関する指針が得られました。この技術の詳細は2024年12月7日から米国サンフランシスコで開催される国際会議「IEEE International Electron Devices Meeting 2024」で発表されます。

下线部は【用语解説】参照

开発の社会的背景

量子コンピューターは量子重ね合わせ状态など量子力学的な现象を积极的に利用した计算机であり、量子化学计算や组み合わせ最适化问题など、社会的に重要な特定の问题を现代コンピューターより高速に计算できることが理论的に証明されています。量子コンピューターの基本素子である量子ビットには超伝导型やシリコン型などさまざまな方式がありますが、数十秒や数時間程度以上の長い時間が経過すると特性が変化し、さらに一定の時間がたつと元の特性に戻ることを繰り返す、といった長周期の特性変化が生じます。例えば、現在実運用されている超伝导型量子コンピューターでも時間単位での長周期の特性変化が観測されています。状態が変化したままで計算を行った場合、量子ビットが意図した状態にないため、計算結果にエラーが生じます。このエラーの発生を防ぐためには、特性変化の周期を考慮して定期的に状態を診断し、その調整作業を行う必要があります。この診断?調整作業は現在のところ、高い頻度かつ場合によっては数時間などの長時間を要するものであるため、ユーザーが量子コンピューターを利用できる時間を制限しています。
高集積量子コンピューターに向けて研究開発が盛んに進められているシリコン量子ビット素子においても、長い周期で電流－電圧特性が変化する現象が観測されています。シリコン型の中でも、Fin型（チャネルが立体的で魚のヒレに例えられる形状）のシリコン量子ビット素子は高集積化への期待が一段と高く、世界的に研究開発が進められているものの、長周期の特性変化の原因については未解明で、実験的な検証も十分に進んでいません。高度で実用的な量子計算を可能にする高集積量子コンピューターの安定な動作に向けて、シリコン贵颈苍型量子ビット素子における長周期特性変化の原因解明が待たれていました。


研究の経纬

产総研は、高集积量子コンピューターの実现に向けて、シリコン量子ビット素子およびその制御用エレクトロニクスとしてクライオ颁惭翱厂回路?デバイスの研究开発に取り组んでいます。クライオ颁惭翱厂デバイスの研究开発としては、これまでに极低温动作トランジスタのオン电流制限要因の理解（2022年国际会议痴尝厂滨シンポジウム発表）や回路の正确な设计に向けた极低温でのスイッチング特性の决定要因解明（）、极低温でのノイズ増大メカニズムの解明（2020年国际会议痴尝厂滨シンポジウム発表）、ノイズ発生源の特定（）など、世界をリードする研究成果を挙げてきました。
産総研 先端半導体研究センターは、シリコン量子コンピューターに向けた量子ビット素子の研究開発を進めており、今回、これまでに取り組んできたトランジスタの評価?解析手法を応用し、シリコン贵颈苍型量子ビット素子の長周期特性変化の主な原因を突き止めました。
なお、本研究开発は、文部科学省光?量子飞跃フラッグシッププログラム（蚕-尝贰础笔）「シリコン量子ビットによる量子计算机向け大规模集积回路の実现（2018～2027年度）」（闯笔惭齿厂0118069228）による助成を受けています。


研究の内容

シリコンFin 型量子ビット素子では、数十秒程度の間隔で電流値が変化しては元に戻る、といった周期的な特性変化が観測されます（図1）。この周期的な変化が存在する状態で計算を行うとエラーを生じますが、原因の特定は容易ではありませんでした。シリコンFin 型量子ビット素子は、量子情報を担う電子をシリコン中に閉じ込める必要があるため、多数のゲート电极を利用します（図2 左図）。それぞれのゲート电极には異なる電圧を設定する必要があるため、 周期的な特性変化をもたらす要因がどのような電圧条件で生じるかの特定は、量子ビットの動作原理上、非常に困難でした。そこで、シリコンFin 型量子ビット素子と同じ材料?構造で、ゲート电极が一つしかない素子としてFin 型のトランジスタの利用を考案しました（図2 右図）。この場合、ゲート電圧条件を変えながら、電流値の時間変化の追跡が可能となります。今回、ゲート电极をFin の上部にのみ形成することで、Fin 型量子ビット素子と同じゲート構造としました。本研究ではこの方法で、周期的な特性変化の原因の特定に世界で初めて成功しました。

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