Study towards complete Bell state measurement of semiconductor electron spin qubits

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K14079
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 木山 治樹 大阪大学, 産業科学研究所, 助教 (80749515)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 量子ドット / スピン測定

Outline of Annual Research Achievements

2019年度は、GaAs量子ドット中の電子スピンについての完全ベル測定の実現を目指し、その要素技術としての多値スピン読み出しに向けて、まず読み出し手法の見直しを行った。想定していた読み出し手法では、代表者が本研究課題に先駆けて開発した3値スピン読み出しを発展させ、４つの2電子スピン状態全てをシングルショットで判別する。しかし、2電子スピンの緩和時間が短いために、高い読み出し忠実度を得るのは困難であると予想されていた。今年度、ゼーマン分裂を利用した単一電子スピン読み出しと組み合わせる新たな手法を考案した。これにより、単一スピンの長いスピン緩和時間のために読み出し忠実度の向上が期待される。
改良された多値スピン読み出し実験を行う試料として、電荷計を備えた４重量子ドットを作製した。作製した試料を希釈冷凍機で冷却し、電気伝導測定を行った。試料の不純物のために、一部のドット間トンネル結合の制御性が悪く、４重量子ドット構造での多値読み出しは困難であった。そこで実験手法を再修正し、２重量子ドットでのパウリスピン閉塞効果を用いたスピン読み出しと組み合わせる方法を試みた。この手法は従来精度が比較的低かったが、近年電荷状態変換を組み合わせることにより精度向上が報告されている。本研究ではさらに、スピン励起状態の準安定化による更なる精度向上手法を発案し、その実証に成功した。試料作製の際に、GaAs二次元電子基板の特性が不良であったために作製が難航してしまい、実験開始が今年度終盤となってしまった。そのため、多値スピン読み出し実験まで完了できなったが、要素技術は達成しており、今後の研究で早期の達成が見込まれる。

Research Products

• [Journal Article] Fabrication and optical characterization of photonic crystal nanocavities with electrodes for gate-defined quantum dots (2020)
  • Author(s): T. Tajiri, Y. Sakai, K. Kuruma, S. M. Ji, H. Kiyama, A. Oiwa, J. Ritzmann, A. Ludwig, A. D. Wieck, Y. Ota, Y. Arakawa and S. Iwamoto
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 59 Pages: SGGI05-1-6
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab5b62
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Angular momentum transfer from photon polarization to an electron spin in a gate-defined quantum dot (2019)
  • Author(s): T. Fujita, K. Morimoto, H. Kiyama, G. Allison, M. Larsson, A. Ludwig, S. R. Valentin, A. D. Wieck, Akira Oiwa, and S. Tarucha
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Pages: 2991-1-6
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-019-10939-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Conversion of angular momentum, quantum state and entanglement from photons to electron spin using gate-defined quantum dots (2020)
  • Author(s): A. Oiwa, S. Matsuo, K. Kuroyama, C. Y. Chung, R. Fukai, T. Nakagawa, T. Fujita, H. Kiyama, T. Tajiri, S. Iwamoto, A. Ludwig, A. D. Wieck, and S. Tarucha
  • Organizer: New Perspective in Spin Conversion Science (NPSCS2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 横型量子ドット上に作製した表面プラズモンアンテナの特性評価横型量子ドット上に作製した表面プラズモンアンテナの特性評価鳴 (2020)
  • Author(s): 深井利央, 酒井裕司, 中川智裕, 藤田高史, 木山治樹, Arne Ludwig, Andreas Dirk Wieck, 大岩顕
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] 並列2重InAs自己形成量子ドットトランジスタの作製とその電気伝導特性 (2020)
  • Author(s): 井手西広樹, 木山治樹, 長井奈緒美, 平川一彦, 大岩顕
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Measurement of multielectron high-spin states and its spin relaxation in a GaAs quantum dot (2020)
  • Author(s): H. Kiyama, K. Yoshimi, T. Kato, T. Nakajima, A. Oiwa, and S. Tarucha
  • Organizer: New Perspective in Spin Conversion Science (NPSCS2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study of the undoped GaAs/AlGaAs mesoscopic structures toward a photon-spin quantum interface utilizing gate-defined quantum dots (2020)
  • Author(s): Genki FUKUDA, Ryota HAYASHI, Takafumi FUJITA, Yasushi KANAI, Makoto KOHDA,Haruki KIYAMA, Julian RITZMANN, Arne LUDWIG, Kazuhiko MATSUMOTO, Junsaku NITTA, Andreas D. WIECK, and Akira OIWA
  • Organizer: The 23rd SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and characterization of InAs self-assembled parallel double quantum dots transistor (2020)
  • Author(s): Hiroki Idenishi, Haruki Kiyama, Naomi Nagai,Kazuhiko Hirakawa, Akira Oiwa
  • Organizer: The 23rd SANKEN International Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and Optical Characterization of Photonic Crystal Nanocavities with Electrodes for Gate-Defined Quantum Dots (2020)
  • Author(s): T. Tajiri, K. Kuruma, Y. Sakai, H. Kiyama, A. Oiwa, J. Ritzmann, A. Ludwig, A.D. Wieck, Y. Ota, Y. Arakawa, S. Iwamoto
  • Organizer: 52th International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子ドット系でのスピン緩和率における電子相関効果の検証 (2019)
  • Author(s): 吉見一慶, 木山治樹, 大岩顕, 加藤岳生
  • Organizer: 日本物理学会2019年秋季大会