ケイン量子コンピュータ

ケイン量子コンピュータは、1998年に当時ニューサウスウェールズ大学に在籍していたブルース・ケイン氏^{[1]が提案したスケーラブルな}量子コンピュータの提案である。量子ドットと核磁気共鳴（NMR）量子コンピュータのハイブリッドとしてよく考えられているケインコンピュータは、純粋なシリコン格子に埋め込まれた個々のリンドナー原子の配列に基づいている。ドナーの核スピンとドナー電子のスピンの両方が計算に関与する。

多くの量子計算方式とは異なり、Kane 量子コンピューターは、原理的には任意の数の量子ビットに拡張可能です。これは、量子ビットを電気的手段で個別に処理できるため可能です。

当初の提案では、リンドナーを表面から約20 nm下に 20 nm間隔で配列することになっています 。絶縁酸化物層はシリコンの上に成長します。金属A ゲートは各ドナー上の酸化物上に堆積され、J ゲートは隣接するドナー間に堆積されます。

リン供与体は同位体純粋³¹ P で、核スピンは 1/2 です。シリコン基板は同位体純粋²⁸ Si で、核スピンは 0 です。P 供与体の核スピンを量子ビットのエンコード方法として使用することには、2 つの大きな利点があります。第 1 に、この状態のデコヒーレンス時間は非常に長く、ミリケルビン温度でおそらく 10 ¹⁸秒のオーダーです。第 2 に、典型的な NMR 提案のように、振動磁場を印加することで量子ビットを操作できます。A ゲートの電圧を変更することで、個々の供与体のラーモア周波数を変更できるはずです。これにより、特定の供与体を印加された振動磁場と 共鳴させることで、供与体を個別に処理できます。

核スピンだけでは、20 nm離れた他の核スピンと大きな相互作用は起こりません。核スピンは単一量子ビット操作を実行するのに便利ですが、量子コンピューターを作るには、2量子ビット操作も必要です。これが、この設計における電子スピンの役割です。Aゲート制御下では、スピンは核からドナー電子に転送されます。次に、Jゲートに電位が適用され、隣接するドナー電子が共通領域に引き込まれ、隣接するスピン間の相互作用が大幅に強化されます。Jゲート電圧を制御することで、2量子ビット操作が可能になります。

ケインの読み出しの提案は、電子のスピン依存トンネル効果を促進するために電場を印加し、 2つの中性ドナーをD ⁺ -D ^{-状態、つまり2つの電子が同じドナーと関連する状態に変換するというものでした。次に、}単一電子トランジスタを使用して電荷過剰が検出されます。この方法には2つの大きな問題があります。まず、D ^{-状態は環境と強く結合しているため、デコヒーレンス時間が短くなります。次に、おそらくより重要なのは、D -}状態の寿命が読み出しを可能にするほど十分長いかどうかが明らかではないことです。つまり、電子は伝導帯にトンネルします。

ケインの提案以来、ロバート・クラークとミシェル・シモンズの指導の下、ケイン量子コンピュータの実現を追求することがオーストラリアにおける量子コンピューティングの主な取り組みとなっている。^[2]理論家たちは読み出しの改善について数多くの提案を行っている。実験的には、 2003年に走査トンネル顕微鏡（STM）技術を用いてリン原子の原子精度の堆積が達成された。 ^[3]リン供与体の小さく密なクラスター間の単一電子の動きの検出も達成されている。グループは実用的な大規模量子コンピュータが構築できると楽観視している。他のグループはこのアイデアを修正する必要があると考えている。^[4]

2020年、アンドレア・モレロらは、シリコンに埋め込まれたアンチモン原子核（8つのスピン状態を持つ）を磁場ではなく電場を使って制御できることを実証した。^[5]

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