7580115 測定装置、測定方法、量子コンピュータ、制御方法、及び、集積回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-31

(45)【発行日】2024-11-11

(54)【発明の名称】測定装置、測定方法、量子コンピュータ、制御方法、及び、集積回路

(51)【国際特許分類】

   G06N 10/00 20220101AFI20241101BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20241101BHJP

【ＦＩ】

G06N10/00

B82Y40/00

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021013935

(22)【出願日】2021-01-29

(65)【公開番号】P2022117319

(43)【公開日】2022-08-10

【審査請求日】2023-10-30

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国立研究開発法人科学技術振興機構 ＣＲＥＳＴ研究領域「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創成」における研究課題「スピン量子計算の基盤技術開発」委託研究、国立研究開発法人科学技術振興機構 さきがけ研究領域「革新的な量子情報処理技術基盤の創出」における研究課題「リアルタイム制御ソフトウェアによる量子ビット仮想化」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】中島 峻

(72)【発明者】

【氏名】小嶋 洋平

(72)【発明者】

【氏名】樽茶 清悟

【審査官】福西 章人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１８４５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】CIMINI, Valeria et al.，Calibration of quantum sensors by neural networks，arXiv [online]，2019年04月23日，pp.1-5，インターネット:<URL:https://arxiv.org/pdf/1904.10392v1>、<DOI:10.48550/arXiv.1904.10392>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０６Ｎ ３／００－９９／００

Ｂ８２Ｙ ４０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

量子ドットデバイスのための測定装置であって、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路と
を備えていることを特徴とする測定装置。

【請求項2】

前記制御信号を減衰させる減衰器と、
前記減衰器による減衰後の前記制御信号に対して所定の電圧を加算する加算器と、
前記加算器の出力に作用することによってフィルタ済信号を生成し、生成したフィルタ済信号を前記電荷センサに供給するローパスフィルタと
を備えていることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記生成回路が生成する前記制御信号には、前記差分信号に対して積分演算を行うことによって得られた信号成分が含まれている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記生成回路が生成する前記制御信号には、前記差分信号に対して線形演算及び微分演算の少なくとも何れかの演算を行うことによって得られた信号成分が含まれている
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項5】

前記接点に接続された共振回路と、前記共振回路に接続された高周波発生回路とを備えている
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項6】

前記量子ドットデバイス上の１又は複数の量子ドットに対して供給される供給電圧の電圧値を取得する供給電圧値取得部と、
前記制御信号が示す電圧値、又は
前記制御信号が示す電圧値の、前記供給電圧の電圧値による微分値
を含む測定ダイアグラムを生成する測定ダイアグラム生成部と
を備えていることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の測定装置。

【請求項7】

量子ドットデバイスのための測定方法であって、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップと
を含んでいることを特徴とする測定方法。

【請求項8】

量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータであって、
前記測定装置は、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得部と、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路と
を備えていることを特徴とする量子コンピュータ。

【請求項9】

量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータの制御方法であって、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップと
を含んでいることを特徴とする制御方法。

【請求項10】

量子ドットデバイスの測定のための集積回路であって、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路と
として機能する論理回路が形成されていることを特徴とする集積回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は量子ドットデバイスのための測定装置、測定方法、量子コンピュータ、量子コンピュータの制御方法、及び集積回路に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、量子ドットデバイスおよび量子ドットデバイスの測定装置に関する急速な進展が見られている。量子ドットデバイスの測定装置では、通常、量子ドットにおける数個の電子による電荷配位（charge configuration）の測定が行われる（例えば、非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【文献】A. Noiri, K. Takeda, J. Yoneda, T. Nakajima, T. Kodera, and S. Tarucha, Radio-frequency detected fast charge sensing in undoped silicon quantum dots, Nano Letters 20, 947 (2020)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

量子ドットデバイスの測定装置においては、センサの電位に関するファインチューニングが必要であることに起因して、測定効率が向上しないという問題があった。

【0005】

本発明の一態様は、測定効率の高い量子ドットデバイスの測定技術を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る測定装置は、量子ドットデバイスのための測定装置であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路とを備えている。

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る測定方法は、量子ドットデバイスのための測定方法であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップとを含んでいる。

【0008】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る量子コンピュータは、量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータであって、前記測定装置は、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路とを備えている。

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る量子コンピュータの制御方法は、量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータの制御方法であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップとを含んでいる。

【0010】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る集積回路は、量子ドットデバイスの測定のための集積回路であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路と、として機能する論理回路が形成されている。

【発明の効果】

【0011】

本発明の一態様によれば、測定効率の高い量子ドットデバイスの測定技術を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１に係る量子ドットデバイスの測定システムの構成を示す図である。

【図2】比較例（実施形態１に係る測定装置のフィードバック制御をオフにした場合）に係る測定結果を示す図である。

【図3】実施形態１に係る測定装置によるフィードバック制御をオンにした場合に得られる測定結果を示している。

【図4】実施形態１に係る測定装置の応答性とノイズパワースペクトラル密度を説明するための図である。

【図5】実施形態１に係る測定装置を用いた測定例を説明するための図である。

【図6】実施形態１に係る量子ドットデバイスのための測定方法の流れを示すフローチャートである。

【図7】実施形態２に係る量子コンピュータの構成を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る量子ドットデバイスの測定システム１の構成を示す図である。図１に示すように、測定システム１は、量子ドットデバイスの測定装置２、及び量子ドットデバイス１０を備えている。

【0014】

（量子ドットデバイス）
量子ドットデバイスの測定装置２の詳細な説明を行う前に、本実施形態に係る量子ドットデバイス１０の構成例について、図１を参照して説明する。図１に示すように、量子ドットデバイス１０は、一例として、基板ＳＢ、第１の量子ドット１１、第２の量子ドット１２、第１のプランジャーゲートＰ１、第２のプランジャーゲートＰ２、電荷センサ１３、第３のプランジャーゲートＰ３、第１の接点ＯＣ１、及び第２の接点ＯＣ２を備えている。

【0015】

基板ＳＢは、一例として、ＳｉＧｅより形成された基板上に、Ｓｉ量子井戸層、Ｓｉ_０．７Ｇｅ_０．３より形成された層、Ｓｉ ｃａｐ層、Ａｌ_２Ｏ_３絶縁層、微細ゲート、及び積層ゲート層が積層して構成される。また、第１の量子ドット１１、第２の量子ドット１２は、基板ＳＢ上又は基板ＳＢ内に、Ｓｉ又はＳｉＧｅを用いて構成される。ただし、基板ＳＢの具体的構成は本実施形態を限定するものではない。

【0016】

第１のプランジャーゲートＰ１は、第１の量子ドット１１の電磁気学的状況を制御するための構成であり、図１に示すように、第１のプランジャーゲートＰ１の先端は、第１の量子ドット１１の近傍に配置される。第１のプランジャーゲートＰ１の電磁気学的状況は、一例として、後述する設定部６０によって制御される。

【0017】

なお、本明細書において、電磁気学的状況とは、電位、電流、静電ポテンシャル、コンダクタンス、及び複素インピーダンスの何れか又はそれらの組み合わせのことを指す。第１のプランジャーゲートＰ１に印可される電位をＶ_Ｌと表記することがある。

【0018】

第２のプランジャーゲートＰ２は、第２の量子ドット１２の電磁気学的状況を制御するための構成であり、図１に示すように、第２のプランジャーゲートＰ２の先端は、第２の量子ドット１２の近傍に配置される。第２のプランジャーゲートＰ２の電磁気学的状況は、一例として、後述する設定部６０によって制御される。第２のプランジャーゲートＰ２に印可される電位をＶ_Ｒと表記することがある。

【0019】

第３のプランジャーゲートＰ３は、電荷センサ１３の電位を制御又は検知する構成であり、図１に示すように、第３のプランジャーゲートＰ３の先端は、電荷センサ１３の近傍に配置される。第３のプランジャーゲートＰ３は、図１に示すように、後述するローパスフィルタ４３、加算器４２、及び減衰器４１を介して、測定装置２の測定部２０の出力側に接続されている。

【0020】

第１の接点ＯＣ１は、図１に示すように接地されている。換言すれば、第１の接点ＯＣ１は、基板ＳＢとグラウンドとを接続するための構成である。基板ＳＢにおける第１の接点ＯＣ１の位置は、本実施形態を限定するものではなく、第１の接点ＯＣ１は、基板ＳＢの何れかの好適な位置に配置されていればよい。

【0021】

第２の接点ＯＣ２は、基板ＳＢと、測定装置２の測定部２０の入力側とを接続するための構成であり、図１に示すように、第２の接点ＯＣ２は、コイルＬ、分岐器３２、信号増幅器（ローノイズアンプ）３３、及び復調器３４を介して測定装置２の測定部２０の入力側に接続されている。基板ＳＢにおける第２の接点ＯＣ２の位置は、本実施形態を限定するものではなく、第２の接点ＯＣ２は、基板ＳＢの何れかの好適な位置に配置されていればよい。

【0022】

基板ＳＢは、一例として、５０ｍＫ程度の低温環境に配置される。換言すれば、量子ドットデバイス１０は５０ｍＫ程度の極低温環境に配置され、そのような極低温環境に配置された量子ドットデバイス１０のための測定装置として、測定装置２は構成されている。このため、測定装置２は、後述するように、５０ｍＫ程度の極低温環境に配置された量子ドットデバイス１０の動作に影響を与えないよう、安定かつ低雑音な回路として実現されている。

【0023】

以上のように構成された量子ドットデバイス１０において、第１の量子ドット１１及び第２の量子ドット１２のそれぞれの電磁気学的状態に応じて、当該第１の量子ドット１１に、０電子状態、１電子状態、２電子状態、・・・・、Ｎ電子状態（Ｎは自然数）の何れかが実現され、第２の量子ドットに、０電子状態、１電子状態、２電子状態、・・・・、Ｍ電子状態（Ｍは自然数）の何れかが実現される。

【0024】

後述する測定装置２は、これらの量子ドットにおける電子の量子状態を、当該量子ドットデバイス２から得られる信号を参照して特定（測定）するための構成である。なお、本実施形態において、電子の量子状態との表現には、電子の個数、電子の荷電配位、及び電子のスピンの少なくとも何れかが含まれる。

【0025】

（測定装置）
測定装置２は、量子ドットデバイス１０に接続されており、第１の量子ドット１１、第２の量子ドット１２、及びそれらの近傍における基板ＳＢの電磁気学的状況を測定するための構成である。図１に示すように、測定装置２は、測定部２０、高周波発生回路３１、分岐器３２、信号増幅器（ローノイズアンプ）３３、及び復調器３４、減衰器４１、加算器４２、ローパスフィルタ４３を備えている。測定部２０は、図１に示すように、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２１、減算器２２、コントローラ２３、及びデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）２４を備えている。

【0026】

また、測定装置２は、図１に示すように、操作受付部５０、設定部６０、及びダイアグラム生成部７０を備えている。

【0027】

操作受付部５０は、使用者による操作を受付け、受け付けた操作が示す情報を設定部６０及びダイアグラム生成部７０に供給する。

【0028】

設定部６０は、前述した又は後述する各種の値の設定を行う。当該設定は、操作受付部５０が受け付けた操作に応じたものであってもよい。

【0029】

ダイアグラム生成部７０は、測定部２０による測定結果を参照して、ダイアグラムを生成する。生成したダイアグラムは、図示しない表示部に表示される。

【0030】

（測定部の入力側に接続された構成）
図１に示すように、測定部２０のＡＤＣ２１には、復調器３４、信号増幅器３３、分岐器３２、コイルＬ、キャパシタＣが接続されており、コイルＬとキャパシタＣとの接続点が、量子ドットデバイス１０の接点ＯＣ２に接続されている。なお、キャパシタＣは必須の構成ではない。キャパシタＣを備えない構成の場合、測定部の入力側の回路が有する浮遊容量がキャパシタンスとして寄与することになる。

【0031】

図１に示す構成例では、コイルＬ、及びキャパシタＣが共振回路を形成しており、当該共振回路に、分岐器３２を介して高周波発生回路３１が接続されている。

【0032】

高周波発生回路３１は高周波を発生させる。高周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数は本実施形態を限定するものではないが、一例として、高周波発生回路３１は、数十ＭＨｚ～数ＧＨｚ程度の高周波を発生させる。周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数は、一例として設定部６０によって設定される。

【0033】

分岐器３２は、高周波発生回路３１が発生させる高周波を、共振回路に供給する一方で、接点ＯＣ２の電磁気学的状況が反映された高周波を信号増幅器３３に伝達する機能を有する。

【0034】

復調器３４は、高周波発生回路３１が出力する高周波を用いて、信号増幅器３３の出力側の信号を復調する。より具体的に言えば、信号増幅器３３の出力側の信号を低周波のベースバンド信号に変換することによって復調後の信号を生成する。復調器３４による復調後の信号は、測定部２０のＡＤＣ２１に供給される。

【0035】

なお、測定部の入力側に高周波発生回路及び共振回路を備える構成は、本実施形態を限定するものではない。一例として、測定装置２は、高周波発生回路及び共振回路を備えない構成としてもよい。

【0036】

（測定部）
測定部２０は、上述したように、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）２１、減算器２２、コントローラ２３、及びデジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）２４を備えている。

【0037】

ＡＤＣ２１は、図１に示すように、復調器３４に接続された信号線における信号を取得する。したがって、ＡＤＣ２１は、量子ドットデバイス１０の何れかの位置に配置された接点ＯＣ２に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部であると表現することもできる。

【0038】

ＡＤＣ２１は、取得したアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を減算器２２に供給する。本実施形態において、ＡＤＣ２１による変換後のデジタル信号をｖ_ｍ（ｔ）とも表記する。

【0039】

ＡＤＣ２１によるサンプリングレートは、本実施形態を限定するものではないが、一例として、高周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数に応じたサンプリングレートを採用することができる。例えば、高周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数を、数十ＭＨｚ～数百ＭＨｚ程度とする場合、これに対応して、ＡＤＣ２１によるサンプリングレートも数十ＭＨｚ～数百ＭＨｚとしてもよい。また、高周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数よりも低い周波数となるように、ＡＤＣ２１によるサンプリングレートを１００ＭＨｚ以下としてもよい。

【0040】

なお、図示は省略するが、測定部２０は、ＡＤＣ２１による変換後のデジタル信号ｖ_ｍ（ｔ）に対して作用する周波数可変のデジタルローパスフィルタを備える構成としてもよい。当該構成の場合、減算器２２には、当該デジタルローパスフィルタ後の信号が入力される。

【0041】

減算器２２は、参照信号ｖ_ｓの値から、デジタル信号ｖ_ｍ（ｔ）の値を減算することによって、差分信号ｅ（ｔ）を生成する。ここで参照信号ｖ_ｓは、一例として、一定のセットポイント電圧に対応する値を有するデジタル信号である。また、本実施形態において、参照信号ｖ_ｓのことを目標値と表現することもある。参照信号ｖ_ｓの値は、一例として設定部６０が設定する。

【0042】

コントローラ２３は、差分信号ｅ（ｔ）から、量子ドットデバイス１０に配置された電荷センサ１３に供給するための制御信号ｕ（ｔ）を生成する。

【0043】

より具体的には、コントローラ２３は、差分信号ｅ（ｔ）に対して以下の演算を行うことによって、制御信号ｕ（ｔ）を生成する。

【数1】

ここで、係数Ｋ_ｐ、Ｋ_ｉ、及びＫ_ｄは、それぞれ、第１項である比例項（Ｐ）、第２項である積分項（Ｉ）、及び第３項である微分項（Ｄ）の係数を示している。

【0044】

したがって、コントローラ２３が生成した制御信号ｕ（ｔ）には、差分信号ｅ（ｔ）に対して積分演算を行うことによって得られた信号成分が含まれている。

【0045】

また、コントローラ２３が生成した制御信号ｕ（ｔ）には、差分信号ｅ（ｔ）に対して線形演算及び微分演算の少なくとも何れかの演算を行うことによって得られた信号成分が含まれている。

【0046】

コントローラ２３が出力する制御信号は、ＡＤＣ２１によるデジタル変換処理に関連する遅延及びコントローラ２３自体の処理による遅延に起因して、所定の時間τだけ遅延している。したがって、コントローラ２３が出力する制御信号をｕ（ｔ－τ）とも表記する。ここで、遅延時間τの具体的な値は本実施形態を限定するものではないが、ＡＤＣ２１によるデジタル変換処理に関連する遅延及びコントローラ２３自体の処理による遅延に応じて定まる。一例として、高周波発生回路３１が発生させる高周波の周波数が１００ＭＨｚ程度である場合、遅延時間τが０．５μｓ（マイクロ秒）程度となるように設計することが可能である。

【0047】

なお、コントローラ２３は一例として、論理回路又は集積回路等によって実現することが可能である。一例として、コントローラ２３は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）によって実現することもできる。

【0048】

また、コントローラ２３は、他の例としてソフトウェアを用いて実現することもできる。ただし、コントローラ２３をソフトウェアを用いて構成した場合、上述した遅延時間τが数十μｓ（マイクロ秒）程度になり得るため、当該遅延時間を考慮した設計を行うことが好ましい。

【0049】

（測定部の出力側に接続された構成）
コントローラ２３が出力した制御信号ｕ（ｔ－τ）は、デジタルアナログコンバータ（ＡＤＣ）２４によってアナログ信号に変換され、変換後のアナログ回路は減衰器４１に入力される。減衰器４１は、自身に入力されたアナログ信号を、所定の減衰率で減衰させ、減衰後の信号を出力する。ここで、減衰器４１による減衰率は、本実施形態を限定するものではないが、一例として、２０ｄＢ程度の減衰を行う構成とすることができる。

【0050】

減衰器４１による減衰後の信号には、加算器４２によって所定の電圧Ｖｓが加算される。加算器４２によって所定の電圧が加算された後の信号は、ローパスフィルタ４３に供給される。

【0051】

ローパスフィルタ４３は自身に入力された信号の高周波成分を減衰させすることによってローパスフィルタ後の信号を生成する。ローパスフィルタ後の信号は、第３のプランジャーゲートＰ３に供給される。

【0052】

第３のプランジャーゲートＰ３に供給された信号は、電荷センサ１３等を介して、接点ＯＣ２の電磁気学的状況に影響を及ぼす。

【0053】

このように、測定装置２は、制御信号ｕを減衰させる減衰器４１と、減衰器４１による減衰後の前記制御信号ｕに対して所定の電圧Ｖｓを加算する加算器４２と、前記加算器４２の出力に作用することによってフィルタ済信号を生成し、生成したフィルタ済信号を前記電荷センサに供給するローパスフィルタ４３とを備えている。

【0054】

測定装置２は、上記の構成を有することによって、５０ｍＫ程度の極低温環境に配置された量子ドットデバイス１０の動作に影響を与えないよう、安定かつ低雑音な回路として実現される。

【0055】

また、以上の説明から分かるように、量子ドットデバイス１０、測定部２の入力側の構成、及び測定部２の出力側の構成は、閉じたフィードバックループを構成している。

【0056】

（測定結果）
続いて、参照する図面を代えて、測定装置２による測定結果について説明する。まず、図２を参照して、比較例に係る測定結果について説明する。

【0057】

図２は、比較例に係る測定結果を示す図である。図２の上段は、測定装置２によるフィードバック制御をオフにした場合に得られる測定結果を示している。

【0058】

図２の左側のダイアグラムは、横軸をＶ_Ｌ（ｍＶ）、縦軸をＶ_Ｒ（ｍＶ）とした場合の信号ｖ_ｍ（ｍＶ）の値を濃淡で示したダイアグラムである。また、図２の右側は、横軸をＶ_Ｌ（ｍＶ）、縦軸をＶ_Ｒ（ｍＶ）とした場合の

【数2】

の値を濃淡で示したダイアグラムである。

【0059】

一方、図２の下段は、横軸をＶ_Ｒとした場合の信号ｖ_ｍの取り得る値を模式的に示したグラフである。図２の下段のグラフに示すように、「ｂｌｉｎｄ」と示したグレーの範囲では、信号ｖ_ｍの値に変化が生じない。これは、Ｖ_Ｒの値が「ｂｌｉｎｄ」範囲にある場合、測定の感度がないことを示している。「ｂｌｉｎｄ」範囲は、Ｃｏｕｌｏｍｂ Ｂｌｏｃｋａｄｅ Ｒｅｇｉｍｅに対応している。一方、図２の下段のグラフに示すように、「ｂｌｉｎｄ」と示したグレーの範囲以外の範囲では、ｖ_ｍの値がピークを取る挙動を示していることから分かるように、測定の感度があることを示している。ｖ_ｍの値のピークのことをＣｏｕｌｏｍｂ Ｐｅａｋとも呼ぶ。

【0060】

このような「ｂｌｉｎｄ」範囲の存在に起因して、図２の上段左側のダイアグラムでは、濃淡が濃い帯状の領域でのみ測定が感度を有しており、それ以外の範囲では測定が感度を有していない。同様に、図２の上段右側のダイアグラムでも、縞状の領域でのみ測定が感度を有しており、それ以外の範囲では測定が感度を有していない。

【0061】

したがって、図２上段に示したＶ_Ｌ及びＶ_Ｒの全範囲について有意な測定結果を得るためには、第３のプランジャーゲートＰ３に供給する信号の値をファインチューニングする等を行うことによって測定感度を有する範囲をずらしながら、繰り返し測定を行う必要がある。

【0062】

一方、図３は、測定装置２によるフィードバック制御をオンにした場合に得られる測定結果、すなわち、上述した測定装置２の各構成が機能した場合の測定結果を示している。

【0063】

図３の上段左側のダイアグラムは、横軸をＶ_Ｌ（ｍＶ）、縦軸をＶ_Ｒ（ｍＶ）とした場合の制御信号ｕ（ｍＶ）の値を濃淡で示したダイアグラムである。また、図３の上段右側は、横軸をＶ_Ｌ（ｍＶ）、縦軸をＶ_Ｒ（ｍＶ）とした場合の

【数3】

の値を濃淡で示したダイアグラムである。

【0064】

また、図３の下段は、制御信号ｕの値（横軸）と信号ｖ_ｍの値（縦軸）との関係を、異なるＶ_Ｒに対して示したグラフである。図３の下段において、グラフの濃淡は異なるＶ_Ｒの値に対応している。Ｖ_Ｒの値が増大すると、より薄いグラフへと遷移する。図３の下段に示すように、ｖ_ｍの値は、Ｖ_Ｒの値に応じた位置及び高さを有する複数のピーク（Ｃｏｕｌｏｍｂ Ｐｅａｋ）を有している。

【0065】

測定装置２によるフィードバック制御をオンにした場合、フィードバック制御により、ｖ_ｍの値は、目標値ｖ_ｓに留まるように制御される。このため、ｖ_ｍの値は、グラフにおいて白丸で示した安定点に留まろうとする。一方で、Ｖ_Ｒの値が増大すると、ピークの高さが減少すると共に、ピークの位置が左側（ｕの値が小さい方）へとシフトする。それに伴い、安定点は、グラフにおいて短い左向きの矢印で示したように、左へとシフトする。更にＶ_Ｒの値が増大するとピークの高さが更に低くなるため、ピークの高さが目標値ｖ_ｓ未満となる状況が生じる。この場合、測定装置２によるフィードバック制御により、安定点の位置が、より大きなｕに対応するピークが有する安定点へとジャンプする（グラフにおける大きな右向きの矢印）。

【0066】

実際に、図３の上段左側のダイアグラムに示すように、Ｖ_Ｒの値の変化に応じて、特定Ｖ_Ｒの値でｕの値は不連続に変化している。

【0067】

一方で、図３の下段のグラフを用いて説明したように、測定装置２によるフィードバック制御をオンにした場合、フィードバック制御により、ｖ_ｍの値は、目標値ｖ_ｓに留まるように制御される。これは、Ｖ_Ｌ及びＶ_Ｒの値が変化しても、測定装置２による測定が感度を有する状態に留まることを示している。

【0068】

実際、図３の上段右側に示すように、

【数4】

の値が示すダイアグラムには、概ね４５°程度傾いたＨの字状の境界が明確に測定されている。この境界は、第１量子ドット１１及び第２の量子ドットにおける電子の電荷配位の転移境界を示している。

【0069】

このように、フィードバック制御を行う測定装置２によれば、測定装置２が測定感度を有する状態に自動的にフィードバック制御されるので、比較例に係る構成のような、ファインチューニングを行いつつ繰り返し測定を行う必要性は生じない。したがって、測定装置２によれば、測定効率の高い量子ドットデバイスの測定を実現することができる。

【0070】

（測定装置の応答性とノイズパワースペクトラル密度）
続いて、図４を参照して、測定装置２の応答性とノイズパワースペクトラル密度（Ｎｏｉｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｐｅｃｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ（Ｎｏｉｓｅ ＰＳＤ））について説明する。

【0071】

図４の左側は、Ｖ_Ｒの変動ΔＶ_Ｒの発生に応じた信号ｖ_ｍの変動、及び制御信号ｕの変動を示すグラフである。図４の左側に示すように、信号ｖ_ｍ及び制御信号ｕは、Ｖ_Ｒの変動の発生から０．５μｓ（マイクロ秒）程度の遅延を有していることが分かる。

【0072】

図４の右側は、測定装置２のフィードバック制御をオフにした場合（濃いグレー）と、フィードバック制御をオンにした場合（薄いグレー）のノイズパワースペクトラル密度を示すグラフである。図４の右側に示すように、測定装置２のフィードバック制御をオンにすることにより、ノイズの発生が大幅に抑えられる。

【0073】

このように、測定装置２のフィードバック制御は、ノイズ抑制の観点からも好適な制御になっていることが分かる。

【0074】

（測定装置を用いた測定例）
続いて、測定装置２を用いた測定例について、図５を参照して説明する。

【0075】

図５の上段左側は、Ｐａｕｌｉ Ｓｐｉｎ Ｂｌｏｃｋａｄｅ（ＰＳＢ）を用いたスピン測定のサイクルを示すダイアグラムである。当該ダイアグラムにおいて実線は、第１の量子ドット１１及び第２の量子ドット１２よりなる２重量子ドット（Ｄｏｕｌｂｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ（ＤＱＤ））の荷電転移境界を示している。点Ｅでは、第１の量子ドット１１は空き（Ｅｍｐｔｙ）状態であり、点Ｒでは第１の量子ドットに電子が（再）充填（（Ｒｅ）Ｌｏａｄｅｄ）された状態であり、点Ｍにおいて量子ドットが測定され、点Ｐにおいて、停留（Ｐａｒｋ）される。一例として、点Ｐにおいて、測定装置２のフィードバック制御がオン又はオフにされる。一例として、その他の点では、測定装置２のフィードバック制御はオフにされる。

【0076】

なお、本明細書において、記号（ｎ、ｍ）は、第１の量子ドット１１にｎ個の電子が配置され、第２の量子ドット１２に、ｍ個の電子が配置されている状況を示している。

【0077】

図５の下段左側は、測定装置２を用いた２組のシングルショット測定の結果を示すグラフである。左側のピークは、スピン トリプレットに対応する（１、１）状態を示しており、右側のピークは、スピン シングレットに対応する（０、２）状態を示している。それぞれのピーク位置ｖ_１１、及びｖ_０２は、時間に応じて変動し得る。

【0078】

図５の上段右側は、測定装置２によるフィードバック制御をオフにした場合（濃いグレー）、及びフィードバック制御をオンにした場合（薄いグレー）の、ピーク位置ｖ_０２の時間変動を示すグラフである。同グラフに示すように、測定装置２によるフィードバック制御をオンにすることにより、ピーク位置ｖ_０２の時間変動が抑制される。

【0079】

図５の下段右側は、コントローラ２３による差分信号ｅ（ｔ）に対する積分時間ｔ_ｉｎｔを横軸とした場合の、シングルショット測定のＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を示すグラフである。当該グラフにおいて、丸印（薄いグレー）は、測定装置２によるフィードバック制御をオンにした場合を示しており、四角印（濃いグレー）は、測定装置２によるフィードバック制御をオフにした場合を示している。

【0080】

測定装置２によるフィードバック制御をオンにすることにより、積分時間ｔ_ｉｎｔが長い場合のＳＮＲが向上することがわかる。このことは、特に測定対象となる信号が微弱な場合（電荷配置等の条件によりｖ_１１とｖ_０２の差が小さくＳＮＲが低い場合）に、フィードバック制御によって測定感度が改善されることを示している。

【0081】

（ダイアグラムの生成）
測定装置２が備えるダイアグラム生成部７０は、測定装置２による測定結果に基づき、測定ダイアグラムを生成する。ここで、ダイアグラム生成部７０は、一例として、設定部６０によって設定又は取得された供給電圧Ｖ_Ｌ又はＶ_Ｒの値を参照して、測定ダイアグラムを生成する構成としてもよい。

【0082】

ダイアグラム生成部７０が生成する測定ダイアグラムの一例として、図２の上段のダイアグラム、及び図３の上段のダイアグラムを挙げることができるが、これは本実施形態を限定するものではなく、ダイアグラム生成部７０は、測定結果に基づく種々のダイアグラム又はグラフ等を含む多様なダイアグラムを生成することができる。

【0083】

以上のように、測定装置２は、
量子ドットデバイス１０上の１又は複数の量子ドット（１１または１２）に対して供給される供給電圧（Ｖ_Ｌ又はＶ_Ｒ）の電圧値を取得する供給電圧値取得部（設定部６０）と、
前記制御信号ｕが示す電圧値、又は
前記制御信号ｕが示す電圧値の、前記供給電圧の電圧値（Ｖ_Ｌ又はＶ_Ｒ）による微分値
を含む測定ダイアグラムを生成する測定ダイアグラム生成部７０と
を備えている。

【0084】

（測定方法）
続いて、本実施形態に係る量子ドットデバイスのための測定方法について、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る量子ドットデバイスのための測定方法の流れを示すフローチャートである。

【0085】

ステップＳ１０２において、測定装置２は、上述した信号ｖ_ｍを取得する。続いて、ステップＳ１０４において、測定装置は、上述したように、制御信号ｕを生成する。生成された制御信号ｕは、量子ドットデバイス１０に供給される。

【0086】

続いて、ステップＳ１０６において、測定装置２は、測定を終了させるか否かを判断する。測定を終了させる場合には、ステップＳ１０８に進み、測定を終了させない場合には、ステップＳ１０２に戻り、測定を続ける。

【0087】

ステップＳ１０８において、測定装置２のダイアグラム生成部７０は、測定結果に基づき、測定ダイアグラムを生成する。測定ダイアグラムの例は上述した通りである。

【0088】

このように、本実施形態に係る量子ドットデバイスのための測定方法は、
量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップＳ１０２と、
所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップＳ１０４と
を含んでいる。

【0089】

〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0090】

実施形態１において説明した量子ドットデバイス１０及び測定装置２は、量子コンピュータに適用することができる。

【0091】

図７は、実施形態１において説明した量子ドットデバイス１０及び測定装置２を備える量子コンピュータ１００の構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係る量子コンピュータ１００は、入出力部９０、測定装置２、及び量子ドットデバイス１０を備えている。なお、図７では、量子ドットデバイス１０を１つ図示しているが、これは本実施形態を限定するものではなく、量子コンピュータ１００は、量子ドットデバイス１０を複数備える構成とすることができ、測定装置２も、そのような複数の量子ドットデバイスに関する測定を行う構成とすることができる。

【0092】

量子コンピュータ１００が実行すべき量子計算を規定する情報、並びに、量子ドットデバイス１０及び測定装置２によって実行された量子計算の結果を示す情報は、量子コンピュータ１００の備える入出力部９０によって入力又は出力される。

【0093】

また、本実施形態に係る量子コンピュータ１００の制御方法は、図６を用いて説明したステップＳ１０２及びステップＳ１０４を含んで構成される。

【0094】

本実施形態によれば、量子ドットデバイス１０及び測定装置２を備える好適な量子コンピュータを実現することができる。

【0095】

〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した内容ついては、その説明を繰り返さない。

【0096】

本明細書に記載の発明は、上記実施形態にて説明した内容に限られない。本実施形態では、量子ドットデバイス１０及び測定装置２を用いた量子ドットの製造方法について説明する。本実施形態における量子ドットの製造方法は、量子ドットにおける量子状態の製造方法と表現することもできる。

【0097】

ここで本実施形態に係る量子ドットは、一例として実施形態１において説明した第１の量子ドット１１及び第２の量子ドット１２が挙げられる。

【0098】

本実施形態に係る量子ドットの製造方法は、図６を用いて説明したステップＳ１０２及びステップＳ１０４を含んで構成される。

【0099】

本実施形態に係る量子ドットの製造方法によれば、量子ドットデバイス１０及び測定装置２を用いて、量子ドット、及び量子ドットにおける量子状態を好適に製造することができる。

【0100】

〔ソフトウェアによる実現例〕
測定装置２（以下、「装置」と呼ぶ）の一部の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各ブロック（特に測定部２０に含まれる各部（特にコントローラ２３）、並びに、操作受付部５０、設定部６０、ダイアグラム生成部７０）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

【0101】

この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

【0102】

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

【0103】

また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。

【0104】

〔まとめ〕
本発明の態様１に係る測定装置は、量子ドットデバイスのための測定装置であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路とを備えている。

【0105】

上記の構成によれば、測定効率の高い量子ドットデバイスの測定技術を実現することができる。

【0106】

本発明の態様２に係る測定装置は、上記態様１において、前記生成回路が生成する前記制御信号には、前記差分信号に対して積分演算を行うことによって得られた信号成分が含まれていてもよい。

【0107】

本発明の態様３に係る測定装置は、上記態様１又は２において、前記生成回路が生成する前記制御信号には、前記差分信号に対して線形演算及び微分演算の少なくとも何れかの演算を行うことによって得られた信号成分が含まれていてもよい。

【0108】

本発明の態様４に係る測定装置は、上記態様１から３の何れにおいて、前記制御信号を減衰させる減衰器と、前記減衰器による減衰後の前記制御信号に対して所定の電圧を加算する加算器と、前記加算器の出力に作用することによってフィルタ済信号を生成し、生成したフィルタ済信号を前記電荷センサに供給するローパスフィルタとを備えていてもよい。

【0109】

本発明の態様５に係る測定装置は、上記態様１から４の何れにおいて、前記接点に接続された共振回路と、前記共振回路に接続された高周波発生回路とを備えていてもよい。

【0110】

本発明の態様６に係る測定装置は、上記態様１から５の何れにおいて、前記量子ドットデバイス上の１又は複数の量子ドットに対して供給される供給電圧の電圧値を取得する供給電圧値取得部と、前記制御信号が示す電圧値、又は前記制御信号が示す電圧値の、前記供給電圧の電圧値による微分値を含む測定ダイアグラムを生成する測定ダイアグラム生成部とを備えていてもよい。

【0111】

本発明の態様７に係る測定方法は、量子ドットデバイスのための測定方法であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップとを含んでいる。

【0112】

上記の構成によれば、態様１と同様な効果を奏する。

【0113】

本発明の態様８に係る量子ドットの製造方法は、量子ドットデバイスを用いた量子ドットの製造方法であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップとを含んでいる。

【0114】

上記の構成によれば、好適な量子ドットを製造することができる。

【0115】

本発明の態様９に係る量子コンピュータは、量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータであって、前記測定装置は、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路とを備えている。

【0116】

上記の構成によれば、好適な量子コンピュータを実現することができる。

【0117】

本発明の態様１０に係る量子コンピュータの制御方法は、量子ドットデバイスと、当該量子ドットデバイスのための測定装置とを備えている量子コンピュータの制御方法であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する電圧信号取得ステップと、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を、生成回路によって生成する生成ステップとを含んでいる。

【0118】

上記の構成によれば、量子コンピュータの好適な制御方法を提供することができる。

【0119】

本発明の態様１１に係る集積回路は、量子ドットデバイスの測定のための集積回路であって、量子ドットデバイスの何れかの位置に配置された接点に対して電磁気学的に接続された信号線における信号を取得する信号取得部と、所定の目標値と前記信号の示す値との差分を示す差分信号から、前記量子ドットデバイスに配置された電荷センサに供給するための制御信号を生成する生成回路と、として機能する論理回路が形成されている。

【0120】

上記の構成によれば、態様１と同様な効果を奏する。

【0121】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0122】

１ 測定システム
２ 量子ドットデバイスの測定装置
１０ 量子ドットデバイス
１１ 第１の量子ドット
１２ 第２の量子ドット
１３ 電荷センサ
２０ 測定部
２１ アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）
２２ 減算器
２３ コントローラ
２４ デジタルアナログコンバータ（ＤＡＣ）
３１ 高周波発生回路
３２ 分岐器
３３ 信号増幅器（ローノイズアンプ）
３４ 復調器
４１ 減衰器
４２ 加算器
４３ ローパスフィルタ
５０ 操作受付部
６０ 設定部
７０ ダイアグラム生成部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】