Three-Dimensional Hybrid Quantum Systems with Diamond and Superconductors

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 18H04295
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: 久保 結丸 沖縄科学技術大学院大学, 量子ダイナミクスユニット, 研究員 (20701436)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2018: ¥9,490,000 (Direct Cost: ¥7,300,000、Indirect Cost: ¥2,190,000)
• Keywords: 量子情報 / 量子技術 / スピン共鳴 / 極低温 / 量子デバイス / ハイブリッド量子系 / スピン / 超伝導量子回路 / マイクロ波共振器 / 量子テクノロジー

Outline of Annual Research Achievements

【意義と重要性】
超伝導量子回路とスピンによるハイブリッド量子系が近年注目を集めている．この研究分野では基板上に作成された2次元の超伝導回路上でこれまで専ら研究が行われてきたが，これが技術的な障害となりここ数年研究が停滞していた．さらに，共振器に超伝導体を用いる弊害で，10 mT以上の磁場が印可出来ず，（可視または赤外の）光を実験に組み込むことも極めて困難であった．本研究では，超伝導量子ビットとダイヤモンド中の不純物スピンによるハイブリッド量子系を3次元マイクロ波共振器を用いて実現する．
【研究成果】
前年度で設計・実装したマイクロ波共振器とダイヤモンド結晶からなるハイブリッド量子系を用いてメーザー（microwave amplification by stimulated emission of radiation，誘導放出によるマイクロ波増幅）増幅器を実現した．その結果，メーザー増幅器は極めて高い飽和パワーを持ち，なおかつジョセフソンパラメトリック増幅器に匹敵する超低雑音増幅器を実現していることを確認した．

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] College de France/CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Queensland(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] College de France/CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] University of Colorado, Boulder(米国)
• [Journal Article] Spinning Gems for Quantum Technologies (2020)
  • Author(s): Kubo Yuimaru
  • Journal Title: Impact Volume: 2020 Issue: 1 Pages: 51-53
  • DOI: 10.21820/23987073.2020.1.51
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Loop-gap microwave resonator for hybrid quantum systems (2018)
  • Author(s): Ball Jason R.、Yamashiro Yu、Sumiya Hitoshi、Onoda Shinobu、Ohshima Takeshi、Isoya Junichi、Konstantinov Denis、Kubo Yuimaru
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Issue: 20 Pages: 204102-204102
  • DOI: 10.1063/1.5025744
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超伝導とスピンによるハイブリッド量子系 (2020)
  • Author(s): 久保結丸
  • Organizer: 第40回量子情報技術研究会（QIT40）
  • Invited
• [Presentation] 極低温広帯域ESR測定への取り組み (2020)
  • Author(s): 則元将太，太田守洋，Jason Ball，Petr Moroshkin，Denis Konstantinov，久保結丸
  • Organizer: 日本物理学会 第75回年次大会
• [Presentation] Quantum information technologies with maser (2020)
  • Author(s): Yuimaru Kubo
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on the Future of Quantum Science and Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Coupling an inverted spin ensemble to a microwave resonator (2019)
  • Author(s): Jason ball, Shota Norimoto, Petr Moroshkin, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal maser in diamond (2019)
  • Author(s): Petr Moroshkin, Jason ball, Shota Norimoto, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A spin-based ultra-low noise cryogenic microwave amplification (2019)
  • Author(s): Yuimaru Kubo, Jason ball, Petr Moroshkin, Shota Norimoto, Denis Konstantinov
  • Organizer: Impurity Spins for Quantum Information & Technologies 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupling an inverted spin ensemble to a microwave resonator (2019)
  • Author(s): Jason ball, Shota Norimoto, Petr Moroshkin, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: Impurity Spins for Quantum Information & Technologies 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Thermal maser in diamond (2019)
  • Author(s): Petr Moroshkin, Jason ball, Shota Norimoto, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: Impurity Spins for Quantum Information & Technologies 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-low noise cryogenic microwave amplifier by spin maser (2019)
  • Author(s): Jason ball, Shota Norimoto, Petr Moroshkin, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: 20th Anniversary of Superconducting Qubits
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スピンメーザーによるマイクロ波増幅 (2019)
  • Author(s): Jason Ball, Petr Moroshkin, 角谷均, 小野田忍, 大島武, 磯谷順一, Denis Konstantinov, 久保結丸
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Presentation] 超伝導量子テクノロジーによる超高感度スピン共鳴 (2019)
  • Author(s): 久保結丸
  • Organizer: 日本応用物理学会春期大会
  • Invited
• [Presentation] Microwave amplification by thermally-induced population inversion (2019)
  • Author(s): Jason Ball, Petr Moroshkin, Denis Konstantinov, Yuimaru Kubo
  • Organizer: 日本物理学会年次大会
• [Remarks] Hybrid quantum devices
  • URL: https://groups.oist.jp/qdu/hqd-research
• [Patent(Industrial Property Rights)] Ultra-low noise cryogenic microwave amplifier by means of spin maser (2019)
  • Inventor(s): Y. Kubo, J. Ball, P. Moroshkin
  • Industrial Property Rights Holder: Y. Kubo, J. Ball, P. Moroshkin
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] スピンメーザーを使ったマイクロ波増幅 (2019)
  • Inventor(s): 久保結丸, ボール ジェイソン, モロシュキン ピーター
  • Industrial Property Rights Holder: 久保結丸, ボール ジェイソン, モロシュキン ピーター
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
• [Patent(Industrial Property Rights)] Ultra-low noise cryogenic microwave amplifier by means of spin maser (2019)
  • Inventor(s): 久保結丸, Jason Ball, Pter Moroshkin
  • Industrial Property Rights Holder: 久保結丸, Jason Ball, Pter Moroshkin
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
  • Overseas
• [Patent(Industrial Property Rights)] Ultra-low noise cryogenic microwave amplifier by means of spin maser (2019)
  • Inventor(s): 久保結丸, Jason Ball, Pter Moroshkin
  • Industrial Property Rights Holder: 久保結丸, Jason Ball, Pter Moroshkin
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019
• [Funded Workshop] International Workshop on Hybrid Quantum Systems (2019)