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【本学研究者情报】

〇材料科学高等研究所/电気通信研究所　准教授　大塚朋广

【発表のポイント】

• 半导体量子ドット^（注1）の测定により得られる电荷状态安定図^（注2）から、人工知能（础滨）に含まれる机械学习を用いて电荷迁移线^（注3）を自动的に抽出し、线の角度と位置を特定する手法を提案しました。
• 上记の结果をもとに、量子ドットの大规模化の际に有用となる仮想ゲートの定义や、量子ドットの単一电子领域の特定を自动で行う手法を提案、実証しました。
• 本手法を活用することで、将来的に人手では不可能なレベルの多数の半导体スピン量子ビット^（注4）の调整を可能にし、量子コンピューター^（注5）の大规模化につながることが期待されます。

【概要】

半导体スピン量子ビットは集积性や既存の半导体技术との亲和性の高さなどの観点から、量子コンピューターの构成要素として期待されています。量子コンピューターの実用化のためには、大量の量子ビットが必要とされることから、これらをより効率的に调整する手法を开発することが重要です。

東北大学大学院工学研究科の武藤由依大学院生（電気通信研究所配属）、同未踏スケールデータアナリティクスセンターのMichael R. Zielewski特任助教（研究当時、同大学院情報科学研究科所属）、同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（電気通信研究所兼任）らの研究グループは、量子ドットの測定から得られる電荷状態安定図をAIモデルの一種であるU-Netに学習させることで、図上に現れる電荷遷移線の自動抽出を実証しました。さらに、抽出結果を画像処理技術やクラスタリング手法を用いて解析することで、量子ドットの大規模化の際に有用となる仮想ゲートの定義や、量子ドットの単一電子領域の特定を自動で行う手法を提案、実証しました。今後は本手法を用いて、より多数のスピン量子ビット自動調整の実証を目指し、量子コンピューターの大規模化に貢献することが期待されます。

本研究成果は、2026年2月14日（現地時間）に科学誌Scientific Reportsにオンライン掲載されました。

図1. 本手法全体の流れ。測定で得られた電荷状態安定図をU-Netモデルに入力し、電荷遷移線を自動的に抽出。その後、ハフ変換で直線検出を行い、その結果をクラスタリングする。最終的には単一電子領域を仮想ゲート軸で表示するところまで自動で行うことができる。

【用语解説】

注1. 半导体量子ドット
电子が叁次元的に闭じ込められた寸法が数十ナノメートル程度（苍尘：ナノは10亿分の1）の半导体。量子箱とも言う。

注2. 電荷状態安定図
量子ドットのゲート电极电圧を変化させたときの电荷状态を表す図。各量子ドット中の电子数に応じてセンサ信号が変化するので、この図を确认することでゲート电极电圧を操作した际の各量子ドット中の电子数が分かる。

注3. 電荷遷移線
电荷状态安定図中で、量子ドット中の电子数が変化した际に电荷センサ信号が変わることによって、电荷状态が迁移する箇所を示す线。

注4. 半導体スピン量子ビット
量子コンピューターの計算素子である量子ビットの実装法の1つ。半导体量子ドット中に電気的に閉じ込められた電子のスピンをビットとして活用する。

【论文情报】

タイトル：Automatic detection of single-electron regime and virtual gate definition in quantum dots using U-Net and clustering
(鲍-狈别迟とクラスタリングによる量子ドットの単一电子领域検出と仮想ゲート定义の自动化)
著者：Yui Muto, Michael R. Zielewski, Motoya Shinozaki, Kosuke Noro, and Tomohiro Otsuka*
*責任著者：東北大学材料科学高等研究所 准教授 大塚朋廣
掲載誌：Scientific Reports
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详细（プレスリリース本文）

问い合わせ先

（研究に関すること）
东北大学　材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
（兼）东北大学　电気通信研究所
（兼）东北大学　大学院工学研究科
（兼）東北大学　Tohoku Quantum Alliance (TQA)
（兼）东北大学　先端スピントロニクス研究开発センター
准教授　大塚　朋广
TEL: 022-217-5509
Email: tomohiro.otsuka*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

（报道に関すること）
东北大学材料科学高等研究所（奥笔滨-础滨惭搁）
広报戦略室
TEL: 022-217-6146
Email: aimr-outreach*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）