2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation and control of hole spin dynamics in quantum structures
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20H00237
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大塚 朋廣 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (50588019)
武田 健太 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (80755877)
溝口 来成 東京工業大学, 工学院, 研究員 (90848772)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子ドット / シリコン / ゲルマニウム / 量子情報 / スピン軌道相互作用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、量子構造中の正孔スピンダイナミクスの物理を解明し、その制御原理を示すことである。特に、スピンと軌道の自由度、及び相互作用の制御がその要素となる。スピンと軌道の間に働く相互作用は、結晶や構造の局所的な性質に依存するため、ナノ寸法の量子構造で重要となる。本研究で新たに開発するゲルマニウム量子ドット系と我々がこれまで開発してきたシリコン量子ドット系とを比較することで、普遍的な物理を解き明かすことを目指す。このために、独自に有するダイナミクス測定法を用いて、量子構造中のスピン軌道相互作用を電気的に制御し定量評価する計画である。
本年度の研究実施計画は、下記の通りであり、順調に進展させることができた。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を行う。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、本年度は昨年度の結果に基づき、デバイス構造や界面の改良を行う。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。本年度は極低温下での磁場依存性評価を実施する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を昨年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
本年度は、上記について、順調に推進することができた。特に、4.2 KでのRF反射測定の実証、3量子ビット実験、高速ユニバーサル量子ゲートの実証など、当初の計画以上の成果を得ることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究実施計画は、下記の通りであり、順調に進展させることができた。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を行う。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、本年度は昨年度の結果に基づき、デバイス構造や界面の改良を行う。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。本年度は極低温下での磁場依存性評価を実施する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を昨年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
本年度は、上記について、順調に推進することができた。特に、4.2 KでのRF反射測定の実証、3量子ビット実験、高速ユニバーサル量子ゲートの実証など、当初想定していた以上のインパクトの高い成果を得ることができた。以上により、当初の計画以上に進展していると評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は下記のように研究を推進する計画である。
・上部にゲート電極を取り付けた量子ドット素子の改良を継続する。上部ゲート電極に電圧を印加することにより、波動関数に対する電界を変調することを意図した構造となっているが、その制御性を向上させる。普遍的な物理を解明するため、シリコンとゲルマニウムの２つの材料を用いて、量子ドットを作製しているが、次年度は本年度に引き続き、デバイスの酸化膜界面や酸化膜自体の改良を行い、特性を向上させる。
・スピン軌道相互作用の統一的な理解を目的として、量子ドットの電気特性評価を行う。次年度は極低温下でのスピン軌道相互作用によるスピン操作を実証する。
・要素技術として、ダイナミクス測定のため、高周波電圧操作を用いたスピンの操作や読み出し技術の開発・改良を本年度に引き続き進める。改良した測定系を用いて、量子ドット素子の特性評価、特にスピンの関与する特性の評価を実施する。また、集積量子ドット素子の高速調整・安定動作のため、機械学習を用いて素子の電荷状態を高速に制御する技術の改良、スピン状態の安定化を目指したフィードバック測定法の開発を継続する。
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[Journal Article] Gate voltage dependence of noise distribution in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots2021
Author(s)
Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 14
Pages: 035002-1～4
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Noise-robust charge state recognition in quantum dots utilizing machine learning and preprocessing2022
Author(s)
Y. Muto, T. Nakaso, M. Shinozaki, T. Kitada, T. Nakajima, M. R. Delbecq, J. Yoneda, K. Takeda, A. Noiri, A. Ludwig, A. D. Wieck, S. Tarucha, A. Kanemura, and T. Otsuka
Organizer
The 11th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
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[Presentation] Phase-encoded radio-frequency reflectometry for parallel readout of quantum dot states2021
Author(s)
M. Hirayama, R. Mizokuchi, M. Tadokoro, Y. Takeda, S.i Nishiyama, K. Kato, Y. Liu, S. Murakami, T. Mori, J. Yoneda, T. Kodera
Organizer
2021 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2021), I-1-02, ALL-VIRTUAL Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] Charge state estimation in quantum dots by Bayesian approach2021
Author(s)
Yui Muto, Motoya Shinozaki, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka,
Organizer
International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Readout noise in radio-frequency reflectometry in gallium arsenide quantum dots2021
Author(s)
Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha and Tomohiro Otsuka
Organizer
International Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
Int'l Joint Research
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[Presentation] Error rate analysis of charge sensing in quantum dots by Bayesian approach2021
Author(s)
Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Shuya Nagayasu, Takeshi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Sen Li, Takumi Ito, Seigo Tarucha, Tomohiro Otsuka
Organizer
Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics, and International Joint Graduate Program in Materials Science
Int'l Joint Research
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[Presentation] Noise analysis of radio-frequency reflectometry for single spin and charge detection in quantum dots2021
Author(s)
Tomohiro Otsuka, Motoya Shinozaki, Yui Muto, Takahito Kitada, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
Organizer
1st Online RIEC International Workshop on Spintronics, Online
Int'l Joint Research / Invited
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