JP7729397B2

JP7729397B2 - 量子デバイス、量子コンピュータ及び量子デバイスの製造方法

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Publication number: JP7729397B2
Application number: JP2023563376A
Authority: JP
Inventors: 雅之細田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2025-08-26
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Also published as: WO2023095199A1; JPWO2023095199A1

Description

本開示は、量子デバイス、量子コンピュータ及び量子デバイスの製造方法に関する。

マヨラナ準粒子を用いた量子コンピュータについての研究が行われている。マヨラナ準粒子を発生させる技術として、２次元のトポロジカル絶縁体を用いる技術が提案されている。

米国特許出願公開第２０２０／０３５６８８７号明細書

２次元のトポロジカル絶縁体を用いる従来技術では、安定した特性を得ることが困難である。

本開示の目的は、特性を安定させやすくできる量子デバイス、量子コンピュータ及び量子デバイスの製造方法を提供することにある。

本開示の一形態によれば、基板と、前記基板の上に設けられた２次元トポロジカル絶縁体層と、前記２次元トポロジカル絶縁体層を覆う第１保護層と、前記第１保護層に設けられ、前記２次元トポロジカル絶縁体層の側面が露出する開口部と、前記開口部内に設けられ、前記２次元トポロジカル絶縁体層の前記側面に接する超伝導体層と、を有する量子デバイスが提供される。

本開示によれば、特性を安定させやすくできる。

図１は、第１実施形態に係る量子デバイスを示す上面図である。図２は、第１実施形態に係る量子デバイスを示す断面図である。図３は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その１）である。図４は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その２）である。図５は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その３）である。図６は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その４）である。図７は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その５）である。図８は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その６）である。図９は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その７）である。図１０は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その８）である。図１１は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その１）である。図１２は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その２）である。図１３は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その３）である。図１４は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その４）である。図１５は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その５）である。図１６は、第１実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その６）である。図１７は、第２実施形態に係る量子デバイスを示す上面図である。図１８は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その１）である。図１９は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その２）である。図２０は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その３）である。図２１は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その４）である。図２２は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その５）である。図２３は、第２実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す上面図（その６）である。図２４は、第３実施形態に係る量子デバイスを示す断面図である。図２５は、第３実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その１）である。図２６は、第３実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その２）である。図２７は、第３実施形態に係る量子デバイスの製造方法を示す断面図（その３）である。図２８は、第４実施形態に係る量子コンピュータを示す図である。

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は、２次元トポロジカル絶縁体を含む量子デバイスに関する。図１は、第１実施形態に係る量子デバイスを示す上面図である。図２は、第１実施形態に係る量子デバイスを示す断面図である。図２は、図１中のII-II線に沿った断面図に相当する。

第１実施形態に係る量子デバイス１は、図１及び図２に示すように、基板１０と、積層体１２０と、超伝導体層３０と、磁性体層１４１及び１４２と、ゲート絶縁層９１と、ゲート電極９２とを有する。なお、図１では、ゲート絶縁層９１及びゲート電極９２を省略している。

基板１０は、Ｓｉ基板１１と、Ｓｉ基板１１の上に形成されたＳｉ酸化膜１２とを有する。基板１０が絶縁基板であってもよい。

積層体１２０は、第１保護層２１と、第２保護層２２と、２次元トポロジカル絶縁体層２３とを有する。２次元トポロジカル絶縁体層２３は、例えば、単層の１Ｔ´－２テルル化タングステン（ＷＴｅ_２）である。２次元トポロジカル絶縁体層２３が単層の１Ｔ´－２セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）又は１Ｔ´－２テルル化モリブデン（ＭｏＴｅ_２）であってもよい。２次元トポロジカル絶縁体層２３の厚さは、例えば１ｎｍ程度である。２次元トポロジカル絶縁体層２３は縁２３Ｅを備える。第１保護層２１及び第２保護層２２は、例えば六方晶窒化ホウ素（ｈ－ＢＮ）を含む。第１保護層２１及び第２保護層２２がｈ－ＢＮ層であってもよい。ｈ－ＢＮ層は層状物質層の一例である。第１保護層２１及び第２保護層２２の厚さは、例えば１０ｎｍ～２０ｎｍ程度である。第１保護層２１は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の一方の面（第１面）を覆い、第２保護層２２は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の他方の面（第２面）を覆う。また、２次元トポロジカル絶縁体層２３の全周にわたって、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅの外側で、第１保護層２１及び第２保護層２２は互いに接触している。積層体１２０は、基板１０の上に２次元トポロジカル絶縁体層２３を第１保護層２１よりも基板１０側にして設けられている。第２保護層２２が基板１０に接している。

積層体１２０に開口部２５が形成されている。開口部２５は第１保護層２１を貫通する。また、２次元トポロジカル絶縁体層２３の側面が開口部２５に露出する。平面視で、２次元トポロジカル絶縁体層２３に、開口部２５を構成する凹部２４が形成されている。開口部２５が第２保護層２２に達していてもよく、開口部２５の底面が第２保護層２２の上面よりも基板１０側にあってもよい。

積層体１２０に開口部２６及び２７が形成されている。開口部２６及び２７は第１保護層２１を貫通する。開口部２６及び２７が第２保護層２２に達していてもよく、開口部２６及び２７の底面が第２保護層２２の上面よりも基板１０側にあってもよい。開口部２６は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに沿って、開口部２５から一方の側に離れて形成されている。開口部２７は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに沿って、開口部２５から他方の側に離れて形成されている。開口部２５が開口部２６と開口部２７との間に位置する。開口部２６及び２７は、縁２３Ｅから離れている。

超伝導体層３０は開口部２５内に設けられている。超伝導体層３０は２次元トポロジカル絶縁体層２３の側面に接しており、２次元トポロジカル絶縁体層２３の開口部２５に露出した側面は、超伝導体層３０により覆われている。超伝導体層３０は第１保護層２１の上面よりも上方に突出していてもよい。超伝導体層３０は、例えばタングステン（Ｗ）層である。超伝導体層３０の厚さは、例えば１０ｎｍ～３０ｎｍ程度である。

磁性体層１４１は開口部２６内に設けられている。磁性体層１４２は開口部２７内に設けられている。磁性体層１４１及び１４２は２次元トポロジカル絶縁体層２３に及ぶ磁界を生成する。磁性体層１４１及び１４２は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅから離れており、２次元トポロジカル絶縁体層２３に接していない。磁性体層１４１及び１４２は、例えばコバルト（Ｃｏ）層である。

ゲート絶縁層９１は、積層体１２０及び超伝導体層３０を覆うようにして基板１０の上に設けられている。ゲート電極９２は、ゲート絶縁層９１の上に設けられている。ゲート絶縁層９１は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又は六方晶窒化ホウ素の薄膜層である。ゲート電極９２は、例えば金（Ａｕ）電極である。

量子デバイス１では、２次元トポロジカル絶縁体層２３のエッジステートにより、縁２３Ｅに縁チャネルが形成される。そして、超伝導体層３０よりも磁性体層１４１側の部分にマヨラナ準粒子γ１が発現し、超伝導体層３０よりも磁性体層１４２側の部分にマヨラナ準粒子γ２が発現する。マヨラナ準粒子γ１は、磁性体層１４１が生成する磁場の影響により、超伝導体層３０の近傍に拘束され、マヨラナ準粒子γ２は、磁性体層１４２が生成する磁場の影響により、超伝導体層３０の近傍に拘束される。

なお、超伝導体層３０と磁性体層１４１，１４２との間の距離は、例えば５０ｎｍ～５００ｎｍ程度である。

次に、第１実施形態に係る量子デバイス１の製造方法について説明する。図３～図１０は、第１実施形態に係る量子デバイス１の製造方法を示す断面図である。図１１～図１６は、第１実施形態に係る量子デバイス１の製造方法を示す上面図である。

まず、図３に示すように、積層体１２０を形成する。積層体１２０の形成では、非酸化性雰囲気、例えばアルゴン（Ａｒ）雰囲気中で、２次元トポロジカル絶縁体層２３を準備する。２次元トポロジカル絶縁体層２３は、例えば、バルク状のＷＴｅ_２から単層の１Ｔ´－ＷＴｅ_２を剥離することで取得できる。２次元トポロジカル絶縁体層２３の準備の後、非酸化性雰囲気中で、２次元トポロジカル絶縁体層２３の一方の面に第１保護層２１を貼り付け、他方の面に第２保護層２２を貼り付ける。

次いで、図４及び図１１に示すように、基板１０の上に、２次元トポロジカル絶縁体層２３を第１保護層２１よりも基板１０側にして積層体１２０を設ける。本実施形態では、第２保護層２２が基板１０に接するようにして、基板１０の上に積層体１２０を設ける。積層体１２０は、例えばスタンプ法により基板１０の上に設けることができる。積層体１２０は、大気中で基板１０の上に設けてもよい。２次元トポロジカル絶縁体層２３の全体が第１保護層２１及び第２保護層２２より覆われており、２次元トポロジカル絶縁体層２３の酸化が防止されるためである。図４は図１１中のIV-IV線に沿った断面図に相当する
。

その後、図５及び図１２に示すように、積層体１２０を覆う犠牲層８１を基板１０の上に形成する。犠牲層８１は、例えば蒸着法により形成することができる。犠牲層８１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）層である。犠牲層８１がＡｕ層であってもよい。犠牲層８１の厚さは、好ましくは２０ｎｍ以上であり、より好ましくは３０ｎｍ以上である。図５は図１２中のV-V線に沿った断面図に相当する。

続いて、図６及び図１３に示すように、犠牲層８１の上に保護層８２を形成する。後述のように、開口部２５、２６及び２７は集束イオンビーム（focused ion beam：ＦＩＢ）を用いて形成される。保護層８２は、開口部２５、２６及び２７を形成する際のＦＩＢの照射によるダメージを抑制しようとする部分の上方に設ける。例えば、２次元トポロジカル絶縁体層２３の開口部２５、２６及び２７の形成後に残存させる部分の上方で、開口部２５、２６及び２７を形成する予定の領域の周囲に保護層８２を形成する。保護層８２は、例えば白金（Ｐｔ）層である。保護層８２の厚さは、例えば２０ｎｍ～５０ｎｍ程度である。保護層８２は、例えばＦＩＢを用いて形成することができる。保護層８２を形成する際のＦＩＢの出力が５Ｖ程度であれば、犠牲層８１により積層体１２０へのダメージを抑制することができる。図６は図１３中のVI-VI線に沿った断面図に相当する。

次いで、図７及び図１４に示すように、積層体１２０に開口部２５、２６及び２７を形成する。開口部２５、２６及び２７は、例えば真空中でＦＩＢを用いて形成することができる。開口部２５は、第１保護層２１を貫通し、２次元トポロジカル絶縁体層２３の側面が露出するように形成される。つまり、開口部２５は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の一部を除去するように形成される。この結果、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅの一部が移動して、２次元トポロジカル絶縁体層２３に、開口部２５を構成する凹部２４が形成される。また、開口部２５、２６及び２７の底に第２保護層２２が露出する。例えば、犠牲層８１の厚さが２０ｎｍ、第１保護層２１の厚さが１０ｎｍ、２次元トポロジカル絶縁体層２３の厚さが１ｎｍの場合、開口部２５、２６及び２７の深さは３５ｎｍ程度とする。開口部２５、２６及び２７の形成の際に、保護層８２が形成されているため、２次元トポロジカル絶縁体層２３のダメージが抑制される。図７に示すように、開口部２５、２６及び２７の周囲に切削残渣８３が生じてもよい。図１４及び図１５では、切削残渣８３が省略されている。図７は図１４中のVII-VII線に沿った断面図に相当する。

その後、図８及び図１５に示すように、開口部２５内に超伝導体層３０を形成する。超伝導体層３０は、例えば真空中でＦＩＢを用いて形成することができる。開口部２５、２６及び２７の形成と、超伝導体層３０の形成とを、同一の装置中で大気暴露せずに連続して行ってもよい。超伝導体層３０は、少なくとも２次元トポロジカル絶縁体層２３の開口部２５に露出した側面の全体を覆う程度の厚さに形成する。また、開口部２６内に磁性体層１４１を形成し、開口部２７内に磁性体層１４２を形成する。磁性体層１４１及び１４２は、例えば真空中でＦＩＢを用いて形成することができる。超伝導体層３０の形成の際に開口部２５の周囲に超伝導体層３０の材料が付着してもよく、磁性体層１４１の形成の際に開口部２６の周囲に磁性体層１４１の材料が付着してもよく、磁性体層１４２の形成の際に開口部２７の周囲に磁性体層１４２の材料が付着してもよい。図８は図１５中のVIII-VIII線に沿った断面図に相当する。

続いて、図９及び図１６に示すように、犠牲層８１を除去する。犠牲層８１の除去に伴い、保護層８２及び切削残渣８３も除去される。犠牲層８１がＡｌ層である場合、犠牲層８１は塩酸を用いて除去することができる。犠牲層８１がＡｕ層である場合、犠牲層８１はヨウ素を含有する溶液を用いて除去することができる。図９は図１６中のIX-IX線に沿
った断面図に相当する。

次いで、図１０に示すように、ゲート絶縁層９１及びゲート電極９２を形成する。ゲート絶縁層９１は、例えば原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法により形成
することができる。ゲート電極９２は、例えばマスクを用いた蒸着及びマスクの除去によるリフトオフにより形成することができる。ゲート電極９２を、成膜及びその後のエッチングにより形成してもよい。

このようにして、第１実施形態に係る量子デバイス１を製造することができる。

第１実施形態では、超伝導体層３０が開口部２５内に設けられ、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに接する。このため、マヨラナ準粒子γ１及びγ２を発現させるための、２次元トポロジカル絶縁体層２３と、超伝導体層３０と、磁性体層１４１及び１４２との関係を安定して実現しやすい。

また、ＦＩＢを用いて開口部２５、２６及び２７を形成するため、開口部２５、２６及び２７を高精度で形成することができる。量子デバイス１の製造に際して、積層体１２０の準備と、開口部２５の形成から超伝導体層３０の形成までの処理とを非酸化性雰囲気で行えば、２次元トポロジカル絶縁体層２３の酸化を容易に抑制して、酸化に伴う特性の変動を抑制することができる。開口部２５、２６及び２７の形成の際に切削残渣が生じても、その前に犠牲層８１を形成しているため、犠牲層８１の除去に伴って切削残渣を容易に除去することができる。開口部２５、２６及び２７の形成の前に保護層８２を形成しているため、開口部２５、２６及び２７の形成の際の積層体１２０へのダメージを抑制することができる。

なお、開口部２５の形成の際に、２次元トポロジカル絶縁体層２３の側面の近傍にダメージが生じてトポロジカル特性が劣化した部分が生じたとしても、その数原子内側においてトポロジカル特性が回復する。このため、トポロジカル特性が回復した部分に超伝導体層３０からの超伝導近接効果がもたらされる。

また、バルクのＷＴｅ_２から１Ｔ´－ＷＴｅ_２を剥離した場合、２次元トポロジカル絶縁体層２３の形状が剥離の度に異なるおそれがある。本実施形態によれば、２次元トポロジカル絶縁体層２３の形状が剥離の度に異なったとしても、超伝導体層３０と、磁性体層１４１及び１４２とを２次元トポロジカル絶縁体層２３の形状に応じて適切に配置することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主として磁性体層の配置の点で第１実施形態と相違する。図１７は、第２実施形態に係る量子デバイスを示す上面図である。なお、図１７では、ゲート絶縁層９１及びゲート電極９２を省略している。

第２実施形態に係る量子デバイス２では、図１７に示すように、積層体１２０に開口部２６及び２７が形成されておらず、磁性体層１４１及び１４２に代えて磁性体層２４１及び２４２が設けられている。

磁性体層２４１は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに沿って、超伝導体層３０から一方の側に離れて、第１保護層２１の上に設けられている。磁性体層２４２は、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに沿って、超伝導体層３０から他方の側に離れて、第１保護層２１の上に設けられている。超伝導体層３０が磁性体層２４１と磁性体層２４２との間に位置する。磁性体層２４１及び２４２は、平面視で、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅと重なる。磁性体層２４１及び２４２は２次元トポロジカル絶縁体層２３に及ぶ磁界を生成する。磁性体層２４１及び２４２は２次元トポロジカル絶縁体層２３に接していない。磁性体層２４１及び２４２は、例えばＣｏ層である。

他の構成は第１実施形態と同様である。

量子デバイス２でも、超伝導体層３０よりも磁性体層１４１側の部分にマヨラナ準粒子γ１が発現し、超伝導体層３０よりも磁性体層１４２側の部分にマヨラナ準粒子γ２が発現する。マヨラナ準粒子γ１は、磁性体層１４１が生成する磁場の影響により、超伝導体層３０の近傍に拘束され、マヨラナ準粒子γ２は、磁性体層１４２が生成する磁場の影響により、超伝導体層３０の近傍に拘束される。

次に、第２実施形態に係る量子デバイス２の製造方法について説明する。図１８～図２３は、第２実施形態に係る量子デバイス２の製造方法を示す上面図である。

まず、第１実施形態と同様にして、積層体１２０を基板１０の上に設ける工程までの処理を行う（図４及び図１１参照）。次いで、図１８に示すように、第１保護層２１の上に磁性体層２４１及び２４２を形成する。磁性体層２４１及び２４２は、例えばマスクを用いた蒸着及びマスクの除去によるリフトオフにより形成することができる。磁性体層２４１及び２４２を、成膜及びその後のエッチングにより形成してもよい。

その後、図１９に示すように、積層体１２０と、磁性体層２４１及び２４２とを覆う犠牲層８１を基板１０の上に形成する。犠牲層８１は、例えばＡｌ層又はＡｕ層である。

続いて、図２０に示すように、犠牲層８１の上に保護層８２を形成する。保護層８２の形成の際に、走査イオン顕微鏡（scanning ion microscope：ＳＩＭ）等を用いて磁性体
層２４１及び２４２の位置を特定し、磁性体層２４１及び２４２をアライメントマークとして用いてもよい。保護層８２は、開口部２５を形成する際のＦＩＢの照射によるダメージを抑制しようとする部分の上方に設ける。例えば、２次元トポロジカル絶縁体層２３の開口部２５の形成後に残存させる部分の上方で、開口部２５を形成する予定の領域の周囲に保護層８２を形成する。保護層８２は、例えばＰｔ層である。

次いで、図２１に示すように、積層体１２０に開口部２５を形成する。この結果、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅの一部が移動して、２次元トポロジカル絶縁体層２３に、開口部２５を構成する凹部２４が形成される。また、開口部２５の底に第２保護層２２が露出する。開口部２５の周囲に切削残渣８３が生じてもよい（図７参照）。

その後、図２２に示すように、開口部２５内に超伝導体層３０を形成する。超伝導体層３０は、少なくとも２次元トポロジカル絶縁体層２３の開口部２５に露出した側面の全体を覆う程度の厚さに形成する。超伝導体層３０の形成の際に開口部２５の周囲に超伝導体層３０の材料が付着してもよい。

続いて、図２３に示すように、犠牲層８１を除去する。犠牲層８１の除去に伴い、保護層８２及び切削残渣８３も除去される。

次いで、第１実施形態と同様に、ゲート絶縁層９１及びゲート電極９２を形成する（図１０参照）。

このようにして、第２実施形態に係る量子デバイス２を製造することができる。

第２実施形態でも、超伝導体層３０が開口部２５内に設けられ、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに接する。このため、マヨラナ準粒子γ１及びγ２を発現させるための、２次元トポロジカル絶縁体層２３と、超伝導体層３０と、磁性体層２４１及び２４２との関係を安定して実現しやすい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主として積層体の構成の点で第１実施形態と相違する。図２４は、第３実施形態に係る量子デバイスを示す断面図である。

第３実施形態に係る量子デバイス３では、図２４に示すように、積層体１２０に代えて積層体３２０が設けられている。積層体３２０は、第１保護層２１と、２次元トポロジカル絶縁体層２３とを有し、第２保護層２２を有しない。積層体３２０は、基板１０の上に２次元トポロジカル絶縁体層２３を第１保護層２１よりも基板１０側にして設けられている。２次元トポロジカル絶縁体層２３が基板１０に接している。また、２次元トポロジカル絶縁体層２３の全周にわたって、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅの外側で、第１保護層２１も基板１０に接している。

開口部２５が基板１０に達していてもよく、開口部２５の底面が基板１０の上面よりも基板１０の下面側にあってもよい。開口部２５の底面は、Ｓｉ酸化膜１２内にあってもよく、Ｓｉ基板１１内にあってもよく、Ｓｉ基板１１とＳｉ酸化膜１２との界面にあってもよい。開口部２５の底面が基板１０の上面にあってもよい。

他の構成は第１実施形態と同様である。

量子デバイス３でも、超伝導体層３０よりも磁性体層１４１側の部分にマヨラナ準粒子γ１が発現し、超伝導体層３０よりも磁性体層１４２側の部分にマヨラナ準粒子γ２が発現する（図１参照）。

次に、第３実施形態に係る量子デバイス３の製造方法について説明する。図２５～図２７は、第３実施形態に係る量子デバイス３の製造方法を示す断面図である。

まず、図２５に示すように、非酸化性雰囲気、例えばＡｒ雰囲気中で、２次元トポロジカル絶縁体層２３を基板１０に貼り付け、２次元トポロジカル絶縁体層２３の上に第１保護層２１を貼り付ける。このようにして、積層体３２０が形成される。

次いで、図２６に示すように、第１実施形態と同様にして、犠牲層８１の形成と、保護層８２の形成と、開口部２５、２６及び２７と、超伝導体層３０の形成と、磁性体層１４１及び１４２と、犠牲層８１の除去とを行う。

その後、図２７に示すように、第１実施形態と同様にして、ゲート絶縁層９１及びゲート電極９２を形成する。

このようにして、第３実施形態に係る量子デバイス３を製造することができる。

第２実施形態でも、超伝導体層３０が開口部２５内に設けられ、２次元トポロジカル絶縁体層２３の縁２３Ｅに接する。このため、マヨラナ準粒子γ１及びγ２を発現させるための、２次元トポロジカル絶縁体層２３と、超伝導体層３０と、磁性体層１４１及び１４２との関係を安定して実現しやすい。

また、第２保護層２２が設けられていなくても、２次元トポロジカル絶縁体層２３の第１面は第１保護層２１により覆われ、第２面は基板１０により覆われるため、２次元トポロジカル絶縁体層２３の酸化を容易に抑制して、酸化に伴う特性の変動を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、量子コンピュータに関する。図２８は、第４実施形態に係る量子コンピュータを示す図である。

第４実施形態に係る量子コンピュータ４は、汎用コンピュータ４０１と、制御部４０２と、量子デバイス４０３とを有する。制御部４０２は、汎用コンピュータ４０１からの制御信号に基づいて量子デバイス４０３を制御する。量子デバイス４０３としては、第１～第３実施形態のいずれかに係る量子デバイスが用いられる。制御部４０２及び量子デバイス４０３はクリオスタット４０４に収納される。

量子コンピュータ４により、安定した量子演算を行うことが可能である。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、２、３、４０３：量子デバイス
４：量子コンピュータ
１０：基板
２１：第１保護層
２２：第２保護層
２３：２次元トポロジカル絶縁体層
２３Ｅ：縁
２４：凹部
２５、２６、２７：開口部
３０：超伝導体層
８１：犠牲層
８２：保護層
１２０、３２０：積層体
１４１、１４２、２４１、２４２：磁性体層

Claims

基板と、
前記基板の上に設けられた２次元トポロジカル絶縁体層と、
前記２次元トポロジカル絶縁体層を覆う第１保護層と、
前記第１保護層に設けられ、前記２次元トポロジカル絶縁体層の側面が露出する開口部と、
前記開口部内に設けられ、前記２次元トポロジカル絶縁体層の前記側面に接する超伝導体層と、
を有することを特徴とする量子デバイス。
平面視で、前記２次元トポロジカル絶縁体層に、前記開口部を構成する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の量子デバイス。
前記２次元トポロジカル絶縁体層は、単層の１Ｔ´－ＷＴｅ_２からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子デバイス。
前記第１保護層は、第１層状物質層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子デバイス。
前記基板と前記２次元トポロジカル絶縁体層との間に設けられた第２保護層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子デバイス。
前記第２保護層は、第２層状物質層を有することを特徴とする請求項５に記載の量子デバイス。
前記第１保護層に接し、前記超伝導体層から離れて設けられ、前記２次元トポロジカル絶縁体層に及ぶ磁界を生成する磁性体層を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の量子デバイス。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の量子デバイスを含むことを特徴とする量子コンピュータ。
非酸化性雰囲気中で、基板の上に、２次元トポロジカル絶縁体層を形成する工程と、
前記２次元トポロジカル絶縁体層上に第１保護層を形成する工程と、
非酸化性雰囲気中で、前記第１保護層に、前記２次元トポロジカル絶縁体層の側面が露出する開口部を形成する工程と、
非酸化性雰囲気中で、前記開口部内に超伝導体層を形成する工程と、
を有することを特徴とする量子デバイスの製造方法。
前記開口部は、集束イオンビームを用いて形成されることを特徴とする請求項９に記載の量子デバイスの製造方法。
前記第１保護層を形成する工程と前記開口部を形成する工程との間に、前記第１保護層を覆う犠牲層を形成する工程を有し、
前記開口部は、前記犠牲層を貫通して形成され、
前記超伝導体層を形成する工程の後に、前記犠牲層を除去する工程を有することを特徴とする請求項９又は１０に記載の量子デバイスの製造方法。
前記第１保護層を設ける工程と前記開口部を形成する工程との間に、前記第１保護層を覆う犠牲層を形成する工程を有し、
前記開口部は、集束イオンビームを用いて前記犠牲層を貫通して形成され、
前記犠牲層を形成する工程と前記開口部を形成する工程との間に、前記犠牲層の上に、前記集束イオンビームから前記２次元トポロジカル絶縁体層を保護する保護層を形成する工程を有し、
前記超伝導体層を形成する工程の後に、前記犠牲層及び前記保護層を除去する工程を有することを特徴とする請求項９に記載の量子デバイスの製造方法。
前記２次元トポロジカル絶縁体層を形成する前に、前記基板上に第２保護層を形成する工程を有することを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の量子デバイスの製造方法。