大阪大学産業科学研究所の木山治樹助教、松本和彦特任教授、大岩顕教授らの研究グループは、東京大学生産技術研究所の平川一彦教授のグループと共同して、電子線描画による電極作製の精密な位置合わせを実現することで、ヒ化インジウム（InAs）自己形成量子ドットに出入りする単一電子の電荷検出に世界で初めて成功しました。

InAs自己形成量子ドットは量子ドットレーザ としてすでに応用されています。また本研究で用いた表面に析出したInAs自己形成量子ドットは、直接、金属電極を取り付け単一電子トランジスタとして動作し、液体窒素温度 以上の高温動作(Shibata APL(2008))やバンドギャップが通信波長帯に近いことから、高温で動作する量子情報装置 のための量子ビット として期待されてきました。

大岩教授らの研究グループは、基板表面にランダムに位置するInAs自己形成量子ドットの中から近接する2つのドットQD ₁ 、QD ₂ に電極を取り付け （図1） 、2つのドットが静電結合 していることを利用して、QD ₁ を電荷計として、もう一方のQD ₂ を単一電子が出入りする挙動を測定する電荷検出に成功しました （図2） 。この技術は自己形成量子ドットを使ったデバイスにおける電荷制御の有効なツールになりうるだけでなく、スピンの検出にも利用できるので、量子ドットの電子スピン を使った量子ビット開発では不可欠な技術です。今後、InAs自己形成量子ドットの量子ビットとしての研究が進展することで、量子情報装置の開発を促進することが期待されます。

本研究成果は、英国科学誌「Scientific Reports」に2018年9月18日（英国時間）にオンラインで公開されました。

図1　InAs自己形成量子ドット並列トランジスタの電子顕微鏡写真

図2　電荷計（QD1）を流れる電流
電流の増減はQD2への電子の出入りを表す。

近年のIoT(モノのインターネット)やCPS（サイバーフィジカルスペース）の発展などにより、将来これらの技術を支える新しい情報処理・情報通信技術が求められています。量子コンピュータや量子情報通信は重要な技術として、活発な研究開発が行われています。半導体量子ドット中の電子スピンは、固体量子ビットの有力な候補です。より高機能な量子ビットを探索するため、様々な種類の半導体量子ドットでの電子スピン制御や光子との量子状態の変換などの技術が研究されています。

InAs自己形成量子ドットは、複雑な電圧操作がなくても量子ドットとして動作し、量子ドットレーザに応用されています。基礎研究でもスピン物性などが調べられています。高品質な量子ドットを多数基板上に位置制御できるなどの特長もあり、量子ビットの有望な候補です。一方で、現在の半導体量子ドットを使った電子スピン量子ビットの開発では、単一電子スピンを計測する電荷計が不可欠な技術として確立していますが、自己形成量子ドットでは、まだ実現されておらず、量子ビットとしての研究開発を阻んでいました。

本研究により、InAs自己形成量子ドットを使った量子ビットの研究開発が大きく進展します。InAs自己形成量子ドットは、高温で動作することと、半導体としてのバンドギャップが通信波長帯に近いため、量子コンピュータの高温動作化や量子暗号通信の長距離化のための量子中継 器開発の1つの技術的ブレークスルーとなり、長期的には量子情報の普及に貢献すると期待します。

本研究の関連成果は、2018年9月18日（英国時間）に英国科学誌「ScientificReports」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Single electron charge sensing in self-assembled quantum dots”
著者名：Haruki Kiyama, Alexander Korsch, Naomi Nagai, Yasushi Kanai, Kazuhiko Matsumoto, Kazuhiko Hirakawa, Akira Oiwa
なお、本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）「新たな光機能や光物性の発現・利活用を基軸とする次世代フォトニクスの基盤技術」研究領域(研究総括：北山研一)の研究課題「電子フォトニクス融合によるポアンカレインターフェースの創製」（研究代表者：大岩顕）、旭硝子財団、科学研究費補助金新学術領域「ナノスピン変換科学」、基盤研究（S）の一環として行われました。