【研究領域課題番号】20H00237 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / シリコン / ゲルマニウム / 量子情報 / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

本研究の目的は、量子構造中の正孔スピンダイナミクスの物理を解明し、その制御原理を示すことである。特に、スピンと軌道の自由度、及び相互作用の制御がその要素となる。スピンと軌道の間に働く相互作用は、結晶や構造の局所的な性質に依存するため、ナノ寸法の量子構造で重要となる。本研究で新たに開発するゲルマニウム量子ドット系と我々がこれまで開発してきたシリコン量子ドット系とを比較することで、普遍的な物理を解き明かすことを目指す。このために、独自に有するダイナミクス測定法を用いて、量子構造中のスピン軌道相互作用を電気的に制御し定量評価する計画である。
本年度の研究実施計画は、下記の通りであり、順調に進展させることができた。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を行う。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、本年度は昨年度の結果に基づき、デバイス構造や界面の改良を行う。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。本年度は極低温下での磁場依存性評価を実施する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を昨年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
本年度は、上記について、順調に推進することができた。特に、4.2 KでのRF反射測定の実証、3量子ビット実験、高速ユニバーサル量子ゲートの実証など、当初の計画以上の成果を得ることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】45,500千円 (直接経費: 35,000千円、間接経費: 10,500千円)

【研究領域課題番号】18K18996 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子情報 / 量子デバイス / スピンデバイス / スピン軌道相互作用

【研究成果の概要】

将来的にダイヤモンド量子構造中の伝導キャリアのスピン輸送を実現し、スピンダイナミクスに関わる根本の物理を解明するため、その基盤技術を開発した。素子については、構造検討、素子設計を行い、物理の解明に向けては、国内外の研究者らとの議論や第一原理計算も含めた理論的アプローチを進めることで、電子状態に関する理解を深めた。測定系の構築については、高周波系を導入し、順調に進めることができ、シリコン系素子を用いてこの測定系の構築が正しく行えたことを確認した。

【研究の社会的意義】

本研究は、量子構造におけるスピンダイナミクスに関わる根本の物理解明に向けた、萌芽的な研究に位置づけられる。高周波系を導入した測定系の構築について、シリコン系素子を用いて正しく行えたことを確認しただけでなく、量子構造のポテンシャルをゲート電極によって調整し、ソースドレイン間を流れる電流を測定することで、スピンブロッケードを観測し、スピンダイナミクスに関わる根本の物理を解明するための要素技術を開発できた。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2018-06-29 - 2021-03-31

【配分額】6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)

【研究分野】ナノ構造物理

【研究領域課題番号】16F16806 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ / 正孔

【研究成果の概要】

本研究の目的は、スピン状態を高速に読み出す技術を開発し、シリコン量子ドット中のスピンコヒーレンスの物理を解明することにある。本研究により、スピン軌道相互作用の大きさを定量的に評価し、さらに電場や磁場に対するスピン軌道相互作用の大きさやスピン緩和時間の依存性を得ることを目指している。
具体的には、MOS構造を利用したpチャネルの量子ドットを作製し、高速読み出しに使用する単正孔トランジスタを量子ドットの近傍に配置する。またスピンを高速に読み出すためのRF反射法を利用した測定系を構築し、既存のnチャネル量子ドットと対比させながら、新たに作製したpチャネル量子ドットにおけるスピンコヒーレンスに関わる物理を明らかにしていく。
本年度は、研究実施計画に沿い、作製した素子の評価を進めると同時に、測定系の構築を進め、RF反射法による測定を開始した。
２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定や、単正孔トランジスタによる電荷センシング測定に成功した。２重量子ドットにおける正孔輸送特性の直接測定では、スピンブロッケード現象を観測した。スピンブロッケード状態でわずかに流れるリーク電流の磁場依存性から、スピン軌道相互作用によってスピン緩和が起きていることを示唆する振る舞いが得られた。また、そのリーク電流の磁場依存性が、上部電極の電圧によって変調されることを観測した。電界によってスピン軌道相互作用を制御できている可能性がある。今後、スピン緩和時間やデコヒーレンス要因について調べることを目指し、RF反射法を用いた測定データの取得を行うことができた。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2016-11-07 - 2019-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】16K06294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単一光子源 / 量子ドット / フォトニック結晶 / 転写プリント / 光集積回路 / ハイブリッド集積 / 量子光学 / ハイブリッド集積技術 / 量子情報 / 量子光回路 / 量子回路 / 共振器量子電気力学

【研究成果の概要】

本研究では、半導体集積光回路上へ量子ドット単一光子源を集積する技術の開発と同系における量子光学実験を行った。集積技術として転写プリント法を研究し、ナノ共振器光源を光導波路上へ±50nm程度の位置精度で集積することに成功した。また、同構造において99％を超える光源効率を達成可能なことを電磁界計算により明らかにした。半導体ナノ加工技術と転写プリント法を組み合わせて様々な試料を作製し、光回路上での単一光子発生、複数光源集積やその独立発光波長チューニングなどを実現した。

【研究の社会的意義】

転写プリント法によりナノ共振器光源を光回路上へ的確に集積できることを示した点は大変意義深い。同手法は、その他のナノ光素子へも容易に適用できる。今後、多様な光素子の自在集積が可能である稀有な光集積技術として活用されていくことが期待できる。また、同技術を用いて光源を作製した場合でも、非常に高い光源効率が実現可能であることを示した点も重要である。本研究での成果が、量子技術に要求される高性能量子光源の開発に活用できることを示唆している。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2016-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】26709023 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子デバイス / スピンデバイス / 量子情報 / 量子ドット / スピン / シリコン / 正孔 / 電荷センサ

【研究成果の概要】

本研究の目的は、新構造のシリコン量子ドットを開発し、スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことにあった。将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指すものであった。物理としては、シリコン量子ドット構造に特有のスピン緩和要因、バレーやスピンの関与する電子輸送特性を明らかにした。技術としては、Si基板やSi/SiGeヘテロ基板を利用した独自の量子ドット構造を作製した。また、Si基板から作製したMOS型新構造量子ドットやSiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットに適したスピン操作技術や検出法を開発した。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】24,440千円 (直接経費: 18,800千円、間接経費: 5,640千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】26630151 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子デバイス / スピンデバイス / 量子情報 / 量子ドット

【研究成果の概要】

将来的な量子光通信への応用を目指し、シリコン量子ドット素子の開発を行った。サイズの異なるシリコン量子ドットを２つ結合させた素子を作製し、各量子ドットにおける量子的なエネルギーの異なる状態を実現した。また、安定的に動作するシリコン量子ドットを実現した。具体的には、薄膜化したシリコンを用いて量子ドットを作製し、量子ドットの帯電エネルギーの増大を実証した。大きな帯電エネルギーは、光照射時の素子の安定性のために必要である。
これらの成果は、学術論文誌や、国際会議、国内学会において公表を行った。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】24760037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / フォトニック結晶 / 二光子過程 / 非線形光学 / ナノレーザー / 応用光学・量子光工学 / 量子情報 / 微小共振器

【研究成果の概要】

量子ドット‐フォトニック結晶ナノ共振器結合系における二光子相互作用の物理およびその応用に関する多くの成果を上げた。特に、レーザ発振および非線形光学波長変換を単一ナノ共振器中で実現する自己周波数変換ナノ共振器レーザを提案・実現した。量子ドットの広帯域ゲインを利用し、ほぼ可視域全体をカバーするマイクロ集積可視ナノレーザアレイを実現した。また、第二高調波発生が光子の量子統計性に依存することを実験理論の両面から議論した。加えて、強く結合した量子ドット‐ナノ共振器系からの自由空間への自然放出を測定する手法を提案・実証した。これらの成果は、二光子の物理を応用した様々な量子光源開発に対して重要な知見となる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】固体物性Ⅱ(磁性・金属・低温)

【研究領域課題番号】14540346 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホロノミック量子計算 / デコヒーレンス / Cartan分解 / 超伝導量子ビット / NMR量子コンピュータ / 等ホロノミー問題 / 量子情報空間 / 単一分子磁石 / エンタングルメント / 量子情報空間の計量 / 量子計算 / 量子情報 / 量子ゲート / 量子アルゴリズム加速 / ホロノミー / NMR / 量子ビット / 量子ドット / 液体ヘリウム上の電子

【研究成果の概要】

中原と共同研究者は,多量子ビットゲートをモジュール化して量子アルゴリズムの効率的な実装法を開発した.最初これは数学的に理想的なホロノミック量子計算について解析したが,その後より現実的なジョセフソン接合を用いた量子ビット系について研究を行った.この方法で実際に21を素因数分解するにはどれだけの量子ビットと計算ステップが必要か具体的に求めた.ホロノミック量子計算に関しては,その後中原と大阪市大の谷村たちはGrassmann多様体上のStiefel多様体という理想化された状況で,与えられたホロノミーを最短ループで実現する厳密解を求めた.これによりMontgomeryが1991年に投げかけた等ホロノミー問題に完全な解答を与えた.
中原と近藤は近畿大学にNMR量子コンピュータを立ち上げた.本研究では谷村達の協力を得てLie群のCartan分解から得られる時間最適解を求め,それを2量子ビットの分子を使ってNMR量子コンピュータで実行した.計算実行時間とゲート数の減少によりNMRのスペクトルが改善されることを実験的に確かめた.また,与えられた量子アルゴリズムUの後に,簡単なゲートWを加えWUと変更することにより,実行時間が減少できる可能性を指摘し,それをNMR量子コンピュータを用いて実行した.この場合実行時間とゲート数はさらに減少し,スペクトルはさらに改善された.UをWUに「飛ばす」ことから,この方法はワープドライブ,Wはワープゲートとよばれる.
細谷はブラックホール時空におけるホーキング輻射を量子情報理論的に研究し,観測後の測定器をブラックホールに吸収させた場合のエントロピーの変化を研究したほか量子情報空間における計量の研究なども行った.
黒田は量子ディットとしての可能性をもつ単一分子磁石Mn12錯体の化学的な物性を研究した.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)