シリコン系２重量子ドットを用いた高性能なスピン量子ビットの実装と 量子計算の実現

• Project/Area Number: 13J09761
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Nanostructural science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 武田 健太 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2014: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2013: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: 量子ドット / 量子ビット

Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究では、昨年度作製および測定を開始した試料の測定を継続して行った。スピンブロッケードおよびゲート電圧パルスによるスピン状態の初期化、測定（ポンプ・プローブ法）によって、１スピン操作に相当する単一電子スピン共鳴を確認した。得られたスピン共鳴信号中には、従来のGaAs系量子ドットでは見られない、反交差構造が得られた。これは、歪みSi系の２重バレー縮退（量子ドット中では閉じ込めのためわずかに縮退が解けている。）に起因するもので、バレー励起エネルギーと、スピンのゼーマンエネルギーが等しいときにスピンおよびバレー励起状態が混成することに相当する。
続いて、本研究の中心テーマである高性能なスピン量子ビットの実装に相当する、電子スピン共鳴の時間分解測定（Rabi振動）および、Ramsey干渉によるコヒーレンス評価の実験を行った。本測定では、電子スピンの読み出しは各量子ドットに結合した電極を用いたenergy selective readoutを用いて、左右各量子ドットに対して独立に行った。左右どちらのドットに対しても、Rabi振動の観測に成功し、現在のSi系量子ドットにおける報告例の中では最高のRabi周波数（＝単一量子ビットの操作速度）を得た。Ramsey干渉によるコヒーレンス評価では、各量子ドットについて、2μs程度のT2*(集団横位相緩和時間)を得た。この値は、従来のGaAs系量子ドットの100倍程度の値となっており、Si系で核スピンの影響が大きく低減されたことを示す。これらの値(Rabi周波数およびT2*)は、位相緩和のみを考慮した単一量子ビット操作の忠実度としては、99.9%以上に相当し、従来のGaAs系で実現された最高値(96.6%)と比較すると、スピン量子ビットの性能が大きく向上したことがわかる。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Charge-noise-free Lateral Quantum Dot Devices with Undoped Si/SiGe Wafer (2014)
  • Author(s): T. Obata, K. Takeda, J. Kamioka, T. Kodera, W.M. Akhtar, K. Sawano, S. Oda, Y. Shiraki, and S. Tarucha
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 1 Pages: 012030-012030
  • DOI: 10.7566/jpscp.1.012030
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge noise analysis of metal oxide semiconductor dual-gate Si/SiGe quantum point contacts (2014)
  • Author(s): J. Kamioka, T. Kodera, K. Takeda, T. Obata, S. Tarucha, and S. Oda
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 115 Issue: 20 Pages: 203709-203709
  • DOI: 10.1063/1.4878979
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Charge-noise-free Lateral Quantum Dot Devices with Undoped Si/SiGe Wafer (2014)
  • Author(s): T. Obata, K. Takeda, J. Kamioka, T. Kodera, W. M. Akhtar, K. Sawano, S. Oda, Y. Shiraki, and S. Tarucha
  • Journal Title: JPS Conf. Proc. Volume: 1
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 電子スピン共鳴によるSi量子ドット中のスピン・バレー状態の考察 (2015)
  • Author(s): 武田健太、神岡純、小幡利顕、大塚朋廣、中島峻、M. R. Delbecq、天羽真一、米田淳、野入亮人、菅原烈、小寺哲夫、小田俊理、樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2015年春季大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学、東京都
  • Year and Date: 2015-03-23
• [Presentation] Single-electron spin resonance in a Si/SiGe double quantum dot with a micromagnet (2015)
  • Author(s): K. Takeda, J. Kamioka, T. Obata, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. AmahaC, J. Yoneda, A. Noiri, R. Sugawara, T. Kodera, S. OdaB, and S. Tarucha
  • Organizer: APS March meeting 2015
  • Place of Presentation: San Antonio, USA
  • Year and Date: 2015-03-05
• [Presentation] 微小磁石を備えたSi/SiGe2重量子ドットにおける単一電子スピン共鳴 (2014)
  • Author(s): 武田健太、神岡純、小幡利顕、大塚朋廣、中島峻、M. R. Delbecq、天羽真一、米田淳、野入亮人、菅原烈、小寺哲夫、小田俊理、樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学、愛知県
  • Year and Date: 2014-09-08
• [Remarks]
  • URL: http://meso.t.u-tokyo.ac.jp
• [Remarks]
  • URL: http://qfsrg.riken.jp/index.html