ダイヤモンドＮＶ中心における量子情報の電気的制御に向けた研究

• Project Area: Quantum cybernetics - interdisciplinary studies of quantum controls and developments toward quantum computing
• Project/Area Number: 24102705
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 水落 憲和 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00323311)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2014-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2013: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2012: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
• Keywords: 量子情報 / ダイヤモンド / NV中心

Research Abstract

NV中心は、固体系では唯一、室温で単一スピンの観測及び操作が可能で、量子情報や磁気センサー等の分野で注目される。近年、特にNV中心の電荷状態制御について関心が持たれている。電荷状態は光励起によりStochasticに変化することが報告された。例えば532 nmの光励起では、-1価の電荷状態（NV－）と中性の電荷状態（NV0）の割合が、定常状態ではNV－：NV0＝3:1である。光照射中の電荷状態のStochasticな変化は光学特性やスピン特性に大きな影響を与えるため、その制御は非常に重要である。また光励起による電荷状態の変化により核スピンのT2が室温で1秒を超えたという報告もなされた。電気的な電荷制御では更なる変化の高速化と効率向上により、更なるT2の長時間化が期待されるため、その実証研究は重要である。
今回我々は単一NV－の電荷状態を電気的に初めて制御することに成功した(PRX 2014)。p-i-nダイヤモンド半導体を用い、i層に形成された単一NV中心に電圧を印可して電流を注入し電荷状態を変化させる。電荷状態のシングルショット測定設備を立ち上げ、ほぼ100％の確率でNV－からNV0に制御したことを定量的に示すことができた。これまで光照射と電気的操作を同時に行いながら電荷を制御した報告例はあったが、純粋に電気的効果のみでの操作、及び定量的に電荷の変化量を明らかにした点も初である。またdeterministicに純粋状態への生成を電気的に制御できた点も重要である。電荷変化速度は0.72 /(マイクロ秒)と見積もられ、遠い13C核スピンの電気的デカップリングの観点からは十分速い変化が達成できた。一方、暗状態では0.45秒以上安定なことが示された。成果は将来の量子ビットの速い電気的制御、電気的制御による量子メモリ時間の長時間化、センサー、単電子デバイス等にとって重要な結果である。

Current Status of Research Progress

Reason

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

25年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Deterministic electrical charge state initialization of single nitrogen-vacancy center in diamond (2014)
  • Author(s): Y. Doi, N. Mizuochi et.al.
  • Journal Title: Phys. Rev. X Volume: 4 Issue: 1 Pages: 1107-1107
  • DOI: 10.1103/physrevx.4.011057
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Observation of dark states in a superconductor diamond quantum hybrid system (2014)
  • Author(s): X. Zhu, S. Saito, Y. Matsuzaki, R. Amsüss, K. Kakuyanagi, T. Shimo-oka, N. Mizuochi, A. Saitoh, K. Nemoto, W. J. Munro, K. Semba
  • Journal Title: Nature communications Volume: 5 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1038/ncomms4524
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Realizing Quantum Memories for Superconducting Qubits: Storage and Retrieval of entangled quantum states (2013)
  • Author(s): S. Saito, X. Zhu, R. Amsüss, Y. Matsuzaki, K. Kakuyanagi, T. Shimo-oka, N. Mizuochi, K. Nemoto, W. J. Munro, K. Semba
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 111 Issue: 10
  • DOI: 10.1103/physrevlett.111.107008
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] MgO thin film on carbon materials by molecular beam method (2013)
  • Author(s): S. Kobayashi*, S. Miwa, F. Bonell, S. Yoshikuni, T. Seki, M. Shiraishi, T. Shinjo, N. Mizuochi, Y. Suzuki
  • Journal Title: Jpn. J. Appl. Phys. Volume: 52 Issue: 7R Pages: 070208-070208
  • DOI: 10.7567/jjap.52.070208
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ダイヤモンド中のNV中心を用いた量子情報素子の研究 (2013)
  • Author(s): 水落憲和
  • Journal Title: 固体物理（特集号 量子コンピューターへの道） Volume: 48,11 Pages: 121-131
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Isotope Effect of Deuterium Microwave Plasmas on the Formation of Atomically Flat (111) Diamond Surfaces (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi, N. Tokuda, M. Ogura, S. Yamasaki
  • Journal Title: J pn. J . Appl. Phys. Volume: 51 Issue: 9R Pages: 90106-90106
  • DOI: 10.1143/jjap.51.090106
  • NAID: 210000141150
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 固体初の室温動作する電流注入型単一光子発生素子 (2012)
  • Author(s): 水落憲和、牧野俊晴、加藤宙光、小倉政彦、竹内大輔、大串秀世、山崎聡
  • Journal Title: ニューダイヤモンドフォーラム会誌 Volume: 28(4) Pages: 17-19
  • NAID: 40019473577
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ダイヤモンドを用いた室温動作する単一光子発生素子 (2013)
  • Author(s): 水落憲和
  • Organizer: 2013年電子情報通信学会総合大会
  • Place of Presentation: 岐阜大学
  • Year and Date: 2013-03-19
  • Invited
• [Presentation] Electrically driven single photon emission by NV center (2013)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: XVIII Hasselt Diamond Workshop 2013 - SBDD XVIII
  • Place of Presentation: Hasselt, Belgium.
  • Year and Date: 2013-02-07
  • Invited
• [Presentation] uantum information device by NV center in diamond (2013)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: 3rd International Conference on Quantum Information and Technology,
  • Place of Presentation: National Institute of Informatics, Tokyo, Japan.
  • Year and Date: 2013-01-16
  • Invited
• [Presentation] Single spin coherence of NV center in diamond at room temperature (2013)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: The 72nd Okazaki Conference on Ultimate Control of Coherence
  • Place of Presentation: Institute for Molecular Science (IMS)
  • Year and Date: 2013-01-08
  • Invited
• [Presentation] ダイヤモンド中の単一NV中心における電荷状態の電気的制御 (2013)
  • Author(s): 土井悠生，牧野俊晴，加藤宙光，小倉政彦，竹内大輔，大串秀世，山崎聡，J#246;rg Wrachtrup，三輪真嗣，鈴木義茂，水落憲和
  • Organizer: 応用物理学会2013年（平成25年）春季講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
• [Presentation] Electrical control of single photon emission by NV center in diamond (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: QDIAMOND12: Workshop on Quantum Information using NV centers in diamond
  • Place of Presentation: annah Lodge, South Africa
  • Year and Date: 2012-12-03
  • Invited
• [Presentation] ダイヤモンド中のNV中心を用いた単一スピン操作と量子情報 (2012)
  • Author(s): 水落憲和
  • Organizer: 第51回電子スピンサイエンス学会年会 (SEST2012)
  • Place of Presentation: 札幌
  • Year and Date: 2012-11-01
  • Invited
• [Presentation] Quantum information device based on NV center in diamond (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: 2012 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM 2012)
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan.
  • Year and Date: 2012-09-25
  • Invited
• [Presentation] Electrically driven single photon source at room temperature in diamond (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi
  • Organizer: International conference on Diamond and carbon materials
  • Place of Presentation: Granada, Spain.
  • Year and Date: 2012-09-03
  • Invited
• [Presentation] Electrically driven single photon source at room temperature in diamond (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi et al.
  • Organizer: International Conference on the Physics of Semiconductors the 31st ICPS 2012
  • Place of Presentation: Zurich, Switzerland
  • Year and Date: 2012-07-29
• [Presentation] Control of single spins and single photons in diamond at room temperature (2012)
  • Author(s): N. Mizuochi, T. Shimooka, Y. Doi, S. Mori, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, M. Nothaft, P. Neumann, A. Gali, F. Jelezko, J. Wrachtrup, S. Miwa, Y. Suzuki, S. Yamasaki
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Electron Spin Science (ISESS)
  • Place of Presentation: Sendai, Japan
  • Year and Date: 2012-07-23
• [Presentation] ダイヤモンドを用いた量子情報素子 (2012)
  • Author(s): 水落憲和
  • Organizer: 第31回 電子材料シンポジウム
  • Place of Presentation: 伊豆・修善寺
  • Year and Date: 2012-07-11
  • Invited
• [Presentation] pin ダイヤモンド半導体への電流注入による単一NV中心の電荷制御 (2012)
  • Author(s): 土井悠生, 牧野俊晴, 加藤宙光, 小倉政彦, 竹内大輔,大串秀世, 山崎聡, J. Wrachtrup, 三輪真嗣, 鈴木義茂, 水落憲和
  • Organizer: 第２６回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 青山学院大学
• [Presentation] ダイヤモンド中の単一NV 中心における電荷状態の電気的制御 (2012)
  • Author(s): 土井悠生, 牧野俊晴, 加藤宙光, 小倉政彦, 竹内大輔, 大串秀世, 山崎 聡, J. Wrachtrup, 三輪真嗣, 鈴木義茂, 水落憲和
  • Organizer: 応用物理学会2012年（平成24年）秋季講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
• [Presentation] Electrical charge state control of individual atomic defect in diamond
  • Author(s): Y. Doi, T. Makino, H. Kato, D. Takeuchi, M. Ogura, H. Okushi, H. Morishita, T. Tashima, S. Miwa, S. Yamasaki, P. Neumann, J. Wrachtrup, Y. Suzuki, N. Mizuochi
  • Organizer: The 18th Physics and Applications of Spin-related Phenomena in Semiconductors (PASPS-18)
  • Place of Presentation: Osaka Japan
• [Presentation] Quantum hybrid system of superconducting flux qubit and diamond spin ensemble
  • Author(s): S. Saito, X. Zhu, R. Amsuss , Y. Matsuzaki , K. Kakuyanagi, T. Shimooka, N. Mizuochi, K. Nemoto, W.John Munro, K. Semba
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint symposia
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
  • Invited
• [Presentation] A collective dark state in a superconducting flux qubit diamond spin ensemble hy-brid system
  • Author(s): Y. Matsuzaki, X. Zhu , R. Amsuss, K. Kakuyanagi, T. Shimo-oka, N. Mizuochi, K. Nemoto, W. Munro, K. Semba, S. Saito
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint symposia
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
• [Presentation] Charge state manipulation of NV center in Diamond at Room Temperature
  • Author(s): Y. Doi, T. Makino, H. Kato, M. Ogura, D. Takeuchi, H. Okushi, S. Yamasaki, J. Wrachtrup, S. Miwa, Y. Suzuki, N. Mizuochi
  • Organizer: 2013 JSAP-MRS Joint symposia
  • Place of Presentation: Kyoto, Japan
• [Presentation] 電気的手法によるダイヤモンド中の単一NV中心の電荷状態制御
  • Author(s): 土井悠生, 牧野俊晴, 加藤宙光, 竹内大輔, 小倉政彦, 大串秀世, 森下弘樹, 田嶌俊之, 三輪真嗣, 山崎聡A, P.Neumann, J. Wrachtrup, 鈴木義茂, 水落憲和
  • Organizer: 日本物理学会（2014年）第69回年次大会
  • Place of Presentation: 平塚市
• [Presentation] pinダイヤモンド半導体への電流注入による単一NV中心の電荷制御
  • Author(s): 土井悠生, 牧野俊晴, 加藤宙光, 小倉政彦, 竹内大輔,大串秀世, 山崎聡, J. Wrachtrup, 田嶌俊之, 三輪真嗣, 鈴木義茂, 水落憲和
  • Organizer: 第27回ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 埼玉県
• [Presentation] ダイヤモンド中の単一ＮＶ中心における電子スピン及び核スピンを用いた磁場検出器
  • Author(s): 松崎雄一郎, 下岡孝明, 田中弘隆, 都倉康弘, 仙場浩一, 水落憲和
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島市
• [Presentation] 超伝導量子ビット・ダイヤモンド複合系におけるマイクロ波を用いた分光測定（実験）
  • Author(s): 齊藤志郎，X.Zhu，松崎雄一郎，R.Amsuss，角柳孝輔，下岡孝明，水落憲和，根本香絵，W.J. Munro，仙場浩一
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島市
• [Presentation] ダイヤモンド中の単一スピン系を用いた4量子ビット量子もつれ生成
  • Author(s): 下岡孝明，松崎雄一郎，山崎聡，三輪真嗣，鈴木義茂，水落憲和
  • Organizer: 第74回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 京田辺市
• [Book] 未来材料 「ダイヤモンドLEDを用いた単一光子発生」 (2012)
  • Author(s): 水落憲和
  • Total Pages: 70
  • Publisher: 株式会社エヌ・ティー・エス
• [Remarks] 大阪大学大学院基礎工学研究科・物質創成専攻 水落憲和のページ
  • URL: http://www.suzukiylab.mp.es.osaka-u.ac.jp/web_mizuochi/indexMizu.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 磁場検出装置および磁場検出方法 (2013)
  • Inventor(s): 松崎雄一郎、仙場浩一、田中弘隆、都倉康弘、下岡孝明、水落憲和
  • Industrial Property Rights Holder: 松崎雄一郎、仙場浩一、田中弘隆、都倉康弘、下岡孝明、水落憲和
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2013-001560
  • Filing Date: 2013-01-09