量子ドット構造は、シリコン量子コンピュータで一般的なSi/SiGe半導体基板上に微細加工を施すことで作製された。ゲート電極に加える電圧を制御することによって、高い自由度で量子ドットを形成し、その電子スピンの状態を制御することが可能だという。

これまでの研究で、2量子ビットまでの量子ゲートが実現されていたが、今回の研究ではそれらに加えて、3量子ビットゲートである「Toffoliゲート」が実現された。Toffoliゲートは、2つの補助量子ビットがどちらも0状態のときにのみ、対象の量子ビット(データ量子ビット)の状態を反転させる操作であり、量子誤り訂正において、検出した誤りに基づいてデータ量子ビットの状態を訂正することができる。

  • シリコン量子コンピュータ試料

    (上)シリコン量子コンピュータ試料。(下・a)試料の模式図。(下・b)試料の電子顕微鏡写真。スケールバーは100nm (出所:理研Webサイト)

また、このToffoliゲートを用いて、3量子ビットの位相誤り訂正回路が実装されたともする。一例を挙げると、3つの量子ビットを量子もつれ状態に符号化することで、3つのうちどれか1つの量子ビットに位相誤りが起こった場合、それを復号(符号化の逆操作)により補助量子ビットの状態に反映させることで検出するというもので、その例では、復号後の2つの補助量子ビットの状態が、起こった位相誤りの種類に1対1で対応するため誤りの検出が可能だとする。さらに、補助量子ビットの状態に応じて訂正を加えることで、データ量子ビットの初期状態を復元することができるともしている。

  • 量子誤り訂正実験

    量子誤り訂正実験。(a)量子誤り訂正実験の量子回路模式図。(b)量子誤り訂正の動作概要。(c)補助量子ビットによる誤り検出。(d)データ量子ビットの忠実度 (出所:理研Webサイト)

今回の研究では、シリコン量子ビット試料においてこの量子回路が実装され、復号後の補助量子ビットの状態を測定することで、誤りの検出ができていることが示されたとするほか、2つの補助量子ビットの状態に応じてデータ量子ビットの状態を訂正する操作のToffoliゲートを実行することで、データ量子ビットを誤りの起こる前の状態に訂正できることが示されたという。

なお、リコン量子コンピュータでは、最近実現された、高精度スピン制御の実現や、今回の研究における量子誤り訂正の実証などによって、少数のシリコン量子ビット制御に関する技術が確立しつつあると研究チームでは説明しており、今後は、これらの基本動作原理を踏まえた上で、半導体プロセス技術を持つ企業との連携による、シリコン量子ビットの大規模集積化に向けた研究が加速することが期待できるとしている。