Ultra-sensitive Spin Resonance using Superconducting Quantum Technology

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18H01817
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University
• Principal Investigator: Kubo Yuimaru 沖縄科学技術大学院大学, サイエンス・テクノロジー・グループ, サイエンス・テクノロジーアソシエイト (20701436)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 量子情報技術 / スピン共鳴 / 極低温 / ダイヤモンド / メーザー

Outline of Final Research Achievements

Using an ensemble of nitrogen (P1) centers in diamond placed inside a 3D microwave resonator at 10 mK, we realized population inversion of a satellite P1 transition when a microwave pump tone is applied to the central P1 transition. This inversion is manifested by the amplification of the probe tone, namely, maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation). We demonstrated that this “maser amplifier” is very interesting and promising for microwave quantum information and technology applications at millikelvin temperatures. We also clarified that vacancy-clusters, other defect in the diamond crystal, play an essential role to the formation of population inversion.

Free Research Field

量子情報技術

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子技術は来たるべき第４次産業革命及びSociety 5.0時代の中核を担う技術として期待されており、研究開発が世界中で熱を帯びている．量子コンピュータに関連するハードウェアに必須の技術である「極低温マイクロ波量子技術」は特に重要視されており、とりわけ極低温における超低雑音・高効率なマイクロ波増幅はその根幹をなす必須技術である．本研究は，「スピンメーザー」による古くて新しい極低温マイクロ波増幅の方式を提案・実証し、その優位性を示すことができた．メーザーは半世紀以上前に廃れてしまった古い研究テーマであるが，当時は実現不可能だった極低温条件においては極めて有用な量子技術になり得ることを見出した．