Quantum Standards and Ultimate Precision Measurements Based on Single Electrons

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H05258
• Research Institution: NTT Basic Research Laboratories
• Principal Investigator: 藤原 聡 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 上席特別研究員 (70393759)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山端 元音 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 特別研究員 (00751702) ; 金子 晋久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 首席研究員 (30371032) ; 中村 秀司 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (70613991) ; 島田 宏 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (60216067)
• Project Period (FY): 2018-06-11 – 2023-03-31
• Keywords: 量子計測三角形 / 単電子 / 量子ホール / 量子電気標準

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、産総研において、量子計測三角形の測定系を希釈冷凍機に一体搭載する技術を完成させた。まず、ジョセフソン電圧標準素子を、独自設計による磁気シールドと温度安定性を有する特殊ステージに搭載し、希釈冷凍機運転下において、1 Vでサブppb、2 mVでサブ0.1 ppmの不確かさで電圧を発生させることに成功し、0.1 ppm以下の量子計測三角形の実験に適用可能なことを明らかにした。また、単電子転送素子の電流測定不確かさ低減のための新しいアプローチとして、希釈冷凍機内での極低温動作リレースイッチによる電流反転とその差分値測定によるドリフト・ノイズ抑制の技術を開発し、実際にNTTのシリコン単電子素子の測定に適用し、その有効性を確認した。最後に、NTT-産総研共同実験の最終的なハイライトとして、事前にNTTで温度10 Kでスクリーニングテストをしてピックアップした２個のシリコン単電子転送素子を用いて、産総研の希釈冷凍機内で並列動作ならびに電流比較を行った。２個の単電子転送素子を1 GHz動作させ、事前に量子ホール抵抗標準やジョセフソン電圧標準により構成された高精度微小電流計を用いて高精度測定を行った。その結果、２個の素子の電流値が0.3 ppm程度の不確かさで一致していることを確認でき、今回の目標値として設定した0.1 ppmに近い値を実現することができた。GHz動作で２個の同一設計の単電子転送素子の電流を比較した実験は今回が世界で初めてであり、将来の高電流化に向けた素子並列化が有望であることを示す重要な結果である。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] NPL/University of Cambridge(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: NPL/University of Cambridge
• [Int'l Joint Research] VTT/Aalto University(フィンランド)
  • Country Name: FINLAND
  • Counterpart Institution: VTT/Aalto University
• [Int'l Joint Research] KRISS/KAIST(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: KRISS/KAIST
• [Int'l Joint Research] NIST(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: NIST
• [Journal Article] Seebeck effect in a nanometer-scale dot in a Si nanowire observed with electron counting statistics (2022)
  • Author(s): Chida Kensaku、Fujiwara Akira、Nishiguchi Katsuhiko
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 121 Pages: 183501～183501
  • DOI: 10.1063/5.0114584
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Precise high resistance comparison between the NMIJ traveling dual source bridge and the NIST adapted Wheatstone bridge (2022)
  • Author(s): Oe T、Payagala S、Panna A R、Takada S、Kaneko N-H、Jarrett D G
  • Journal Title: Metrologia Volume: 59 Pages: 065007～065007
  • DOI: 10.1088/1681-7575/ac9681
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of a Single-Cycle Acoustic Pulse: A Scalable Solution for Transport in Single-Electron Circuits (2022)
  • Author(s): Wang Junliang、Ota Shunsuke、Edlbauer Hermann、Jadot Baptiste、Mortemousque Pierre-Andre、Richard Aymeric、Okazaki Yuma、Nakamura Shuji、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Urdampilleta Matias、Meunier Tristan、Kodera Tetsuo、Kaneko Nobu-Hisa、Takada Shintaro、Bauerle Christopher
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 12 Pages: 031035～031035
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.12.031035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Series connection of quantum Hall resistance array and programmable Josephson voltage standard for current generation at one microampere (2022)
  • Author(s): Chae Dong-Hun、Kim Mun-Seog、Oe Takehiko、Kaneko Nobu-Hisa
  • Journal Title: Metrologia Volume: 59 Pages: 065011～065011
  • DOI: 10.1088/1681-7575/ac97a0
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sensitive phonon detection using a single Cooper-pair transistor (2022)
  • Author(s): Tanarom Jutarat、Watanabe Takuma、Mizugaki Yoshinao、Shimada Hiroshi
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 15 Pages: 064001～064001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac6930
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 希釈冷凍温度で動作するラテラル型過減衰特性Al/AlOx/Al接合の作製 (2022)
  • Author(s): 星野将弥，水柿義直，島田宏
  • Journal Title: IEICE Technical Report SCE 2022-9 Volume: 9 Pages: 1～5
• [Journal Article] 微細素子静電強結合のための原子層堆積TiO2膜の研究 (2022)
  • Author(s): 高田文洋，水柿義直，島田宏
  • Journal Title: IEICE Technical Report CPM 2022-106 Volume: 106 Pages: 78～81
• [Presentation] シリコン２重単電子ポンプにおける単電子クーロン衝突 (2023)
  • Author(s): 山端元音、Nathan Johnson、 藤原聡
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Electron manipulation using a silicon dynamic quantum dot (2022)
  • Author(s): [A. Fujiwara, G. Yamahata, N. Johnson,
  • Organizer: Workshop for the single-electron quantum technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Ultimate electronics using silicon single-eletron devices (2022)
  • Author(s): A. Fujiwara, G. Yamahata, N. Johnson, C. Kensaku, and K. Nishiguchi
  • Organizer: 韓国標準研KRISSセミナー
  • Invited
• [Presentation] Electron dynamics in a silicon quantum-dot single-electron pump (2022)
  • Author(s): A. Fujiwara, G. Yamahata, and N. Johnson
  • Organizer: 東大LIMMSトピカルセミナー
  • Invited
• [Presentation] 量子電気計測と標準 (2022)
  • Author(s): 金子 晋久
  • Organizer: 電気学会茨城支所講演会
  • Invited
• [Presentation] Basics and applications of quantum electrical standards based on the revised SI, "SI unit: Practical realization and how to assure measurement traceability (2022)
  • Author(s): N.-H. Kaneko
  • Organizer: Future Proofing Taskforce, APMP-DEC Workshop
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Device simulator for optimal design of silicon single-electron pumps (2022)
  • Author(s): A. Fujiwara, G. Yamahata, N. Johnson
  • Organizer: Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting-electromagnet-free quantum anomalous Hall resistance standard using ferromagnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): Y. Okazaki, T. Oe, M. Kawamura, R. Yoshimi, S. Nakamura, S. Takada, M. Mogi, K. S. Takahashi, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, Y. Tokura and N.-H. Kaneko
  • Organizer: Electrical Metrology Day and Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Superconducting-electromagnet-free quantum anomalous Hall resistance standard using ferromagnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): Y. Okazaki, T. Oe, M. Kawamura, R. Yoshimi, S. Nakamura, S. Takada, M. Mogi, K. S. Takahashi, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, Y. Tokura and N.-H. Kaneko
  • Organizer: Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation study of magnetic shielding effects for operation on a Josephson voltage standard device in a high magnetic field (2022)
  • Author(s): D. Matsumaru, S. Nakamura, M. Maruyama, and N.-H. Kaneko
  • Organizer: The 35th International Symposium on Superconductivity (ISS2022）
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Precision measurement of quantum anomalous Hall effect in magnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): Y. Okazaki, T. Oe, M. Kawamura, R. Yoshimi, S. Nakamura, S. Takada, M. Mogi, K. S. Takahashi, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, Y. Tokura and N.-H. Kaneko,
  • Organizer: The 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum anomalous Hall resistance standard using ferromagnetic topological insulator (2022)
  • Author(s): Y. Okazaki, T. Oe, M. Kawamura, R. Yoshimi, S. Nakamura, S. Takada, M. Mogi, K. S. Takahashi, A. Tsukazaki, M. Kawasaki, Y. Tokura and N.-H. Kaneko
  • Organizer: The 24th International Conference on High Magnetic Fields in Semiconductor Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phonon Detection with a Supercurrent through a Single Cooper-pair Transistor (2022)
  • Author(s): H. Shimada, J. Tanarom, T. Iizuka, and Y. Mizugaki
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Gate-controlled supercurrent in vertical ultra-short superconductor/MoS2/superconductor junctions (2022)
  • Author(s): Y. Tsai, Y. Hsieh, C. Chen, H. Shimada, W. Chang, C. Wu, and W. Kuo
  • Organizer: 29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Sensitive phonon detection by use of a single Cooper-pair transistor (2022)
  • Author(s): H. Shimada, J. Tanarom, T. Watanabe, T. Iizuka, and Y. Mizugaki
  • Organizer: ASC2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 希釈冷凍温度で動作するラテラル型過減衰特性Al/AlOx/Al接合の作製 (2022)
  • Author(s): 星野将弥，水柿義直，島田宏
  • Organizer: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
• [Remarks] 本研究課題の紹介
  • URL: http://www.brl.ntt.co.jp/people/afuji/kakenS/
• [Remarks] NTT
  • URL: http://www.brl.ntt.co.jp/people/afuji/index-j.html
• [Remarks] 産総研
  • URL: https://unit.aist.go.jp/ripm/qelec-std/
• [Remarks] 電通大
  • URL: http://inaho.pc.uec.ac.jp/