2021 Fiscal Year Research-status Report
ダイヤモンド量子コンピュータへ向けた光シフト制御万能ホロノミック量子ゲート
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20K20441
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
小坂 英男 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20361199)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子情報 / 量子メモリ / 量子ストレージ / 量子コンピュータ / 量子ゲート / ダイヤモンド / NV中心 / 電子スピン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光、超伝導、シリコン、冷却原子といった様々な量子系による万能量子コンピュータが研究されているが、集積された多数の量子ビットの個別制御が難しいという致命的な問題がある。本研究の目的は安定した量子状態を実現するダイヤモンドのNV中心をプラットフォームとし、レーザ光で各量子ビットにアクセスする手法により、この問題を根本的に解決することである。
初年度は、当初計画していた初年度の目標である「光シフトにより個別に周波数制御されたNV中心の単一量子ゲート操作を実現」を達成し、2年目に「光アクセスによる個別NVの電子スピンへの書き込みと個別読み出し」を達成した。本成果をベースとし、3年目に計画した下記を行った。
・光アクセスによる個別NVの窒素核スピンへの書き込みと個別読み出し
光アクセスによる個別NVの窒素核スピンへの量子状態の書き込み、量子ゲート操作、読み出しを行った。最初にA1準位に共鳴するレーザ光（A1初期化光）で全てのNV中心の電子スピンを補助準位（ms=0）に初期化した。個別NVの窒素核スピンへの書き込みは、①Ex制御光で光シフトしたゼロ磁場分裂に共鳴するマイクロ波で選択したNVの電子だけを補助準位（ms=0）から幾何学量子ビット準位（ms=±1）に遷移、②A2準位に共鳴するレーザ光（A2書き込み光）を用いたCPT（コヒーレントポピュレーショントラップ）により幾何学量子ビットを所望の量子状態に設定、③マイクロ波およびラジオ波による磁気共鳴操作により電子スピンから窒素の核スピンへと状態転写、の順で行った。個別NVの窒素核スピンからの読み出しは、①光シフトとマイクロ波共鳴で特定のNVだけを選択、②窒素の核スピンから電子スピンへと状態転写、③A2書き込み光を用いた発光により電子の状態を読み出し、の順で行った。この際、窒素を補助量子とした射影的シングルショット（量子非破壊）測定により、読み出し効率を100%近くとした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初計画していた初年度の目標である「光シフトにより個別に周波数制御されたNV中心の単一量子ゲート操作を実現」を達成し、2年目の目標である「光制御されたNVへの量子状態の書き込み、量子ゲート操作、読み出しを実現」に必要な個別NVの電子スピンへの量子状態の書き込み、量子ゲート操作、読み出しを実現し、3年目の目標である個別NVの窒素核スピンへの量子状態の書き込み、量子ゲート操作、読み出しを達成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
大規模集積化に向けて、NV中心の二次元格子の形成が大きな課題となる。ダイヤモンド表面から50nm以上の深さに窒素をイオン注入し、適切にアニールすることでNV中心（NV-）を形成する。
また、NV中心に変換しなかった単独の窒素は中性であればスピンがないため影響がなく、電子を保持していればP1中心となりスピン1/2を持つためノイズ源となるが、幾何学的スピンエコーによりその影響を完全に排除する。
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| Causes of Carryover |
大規模集積化に向けて、NV中心の二次元格子の形成が大きな課題となる。そこで2021年度には、ダイヤモンド表面から50nm以上の深さに窒素をイオン注入し、適切にアニールすることでNV中心（NV-）を形成する予定でであった。しかしながら、イオン注入装置のメンテナンスにより遅延が生じたため、2022年度に本格的なイオン注入およびアニールよるNV中心（NV-）の形成を行う予定である。評価装置等の性能向上に使用する計画である。
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| Remarks |
小坂研究室ホームページ
https://kosaka-lab.ynu.ac.jp/
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