量子ドットの電荷状態を高速に検出する解析手法を開発

─ 量子コンピュータの読み出し速度向上や物性探索に期待 ─

2025年4月 9日 11:00

研究者情報

〇材料科学高等研究所/電気通信研究所　准教授　大塚朋廣
研究室ウェブサイト

発表のポイント

電子を閉じ込めた量子ドット^(注1)の電荷状態を、事後確率を計算するベイズの定理^(注2)に基づいて高精度に推定する手法を開発しました。
電荷状態によってノイズ特性が異なる条件下で、従来手法より優れた性能を確認しました。
量子ビット^（注3）読み出しの高速化・高精度化が期待されます。

発表概要

量子コンピュータの基本素子である量子ビットの状態を高速・高精度に読み出すことは、量子情報処理において重要な課題です。特に半導体量子ドットでは、単一電子の電荷状態を検出する技術が量子ビット読み出しの鍵となっています。
東北大学材料科学高等研究所（WPI-AIMR）の篠﨑基矢特任助教と大塚朋廣准教授（電気通信研究所兼務）らの研究グループは、ベイズの定理に基づく逐次的な電荷状態推定手法を開発し、その性能を従来手法の閾値（しきいち）判定と比較しました。本研究では、測定信号のノイズ特性が電荷状態によって異なる条件下で、ベイズ手法が優れた性能を発揮することを確認しました。この方法により、リアルタイムでの電荷状態推定において、より多くの信頼性の高いデータ点を得ることができます。また、状態遷移近傍でも高精度な推定が可能であることも確認しました。本成果により、量子ビットやセンサなどの読み出しの高速化が期待され、将来の量子情報処理等への応用が期待されます。
本研究成果は、2025年3月26日（現地時間）に米国物理学会誌Physical Review Applied（電子版）に掲載されました。

図1.(上)シミュレーションで作成した疑似的な電荷計信号とそのヒストグラム。(下)時間積算によりノイズを低減することで状態の識別が可能となる(従来手法の閾値判断)。

用語解説

注1. 量子ドット
半導体などにおいて電子を閉じ込める微小な構造。サイズが小さいため、量子力学的な効果が現れ、電子のエネルギー状態が離散的になる。
注2. ベイズの定理
ある条件の下での事象の確率（条件付き確率）を計算する方法。数式では P(A|B) = P(B|A)×P(A)/P(B) と表される。本研究では、測定値(結果)から電荷状態(仮説)の確率を逐次的に更新する際にこの定理を用いた。

論文情報

タイトル：Charge-state estimation in quantum dots using a Bayesian approach
(ベイズ手法による量子ドット電荷状態推定)
著者： Motoya Shinozaki*, Yui Muto, Takahito Kitada, and Tomohiro Otsuka*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所 特任助教 篠﨑基矢
東北大学材料科学高等研究所 准教授 大塚朋廣
掲載誌：Physical Review Applied
DOI：10.1103/PhysRevApplied.23.034078

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学　材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
（兼）東北大学　電気通信研究所
（兼）東北大学　大学院工学研究科
（兼）東北大学　Tohoku Quantum Alliance (TQA)
（兼）東北大学　先端スピントロニクス研究開発センター
准教授　大塚　朋廣
TEL: 022-217-5509
Email: tomohiro.otsuka*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）
（報道に関すること）
東北大学　材料科学高等研究所（WPI-AIMR）
広報戦略室
TEL: 022-217-6146
Email: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）


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