2023 Fiscal Year Annual Research Report
Application of deterministic dopant devices to probabilistic information processing, quantum computing/measurement
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23H00169
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
品田 賢宏 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (30329099)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大矢 剛嗣 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (30432066)
谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
河野 行雄 中央大学, 理工学部, 教授 (90334250)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2028-03-31
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| Keywords | 決定論的ドーピング法 / 確率的情報処理システム / 量子レジスタ / 量子計測 / 電界集中型THzセンシング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子準位が制御されたドーパント規則配列を有する半導体デバイス「決定論的ドーパントデバイス」を活用することで、制御された量子物性に基づく超低消費電力・超高感度デバイス・回路を開発し、CN、DX、IoT、AIに資する革新的情報処理・量子計測の構築を目的として、以下の研究項目に取り組んだ。
研究項目① 決定論的ドーパントデバイスによる確率的情報処理システムの開発：決定論的ドーパントデバイス向け粘菌様情報処理回路の設計とシミュレータ作成を進めた。同様にリザーバコンピューティング回路の設計とシミュレーションについても検討・評価を進めた。
研究項目② 決定論的ドーパントデバイスによる量子レジスタ形成と量子計測系の構築：ダイヤモンド表面近傍の浅い単一NVセンターと表面の不対電子（表面ダングリングボンド）を磁気双極子-双極子相互作用により結合させるための測定系（電子二重共鳴測定系）の実装を行い、表面ダングリングボンドの密度計測や意図的にダイヤモンド表面に結合させたラジカル分子の検出に成功した。
研究項目③ 決定論的ドーパントデバイスによる電界集中型THzセンシングの開発と新規計測の創出：照射THz光の波長よりも小さいドーパント領域に光電界を集中する構造体の作製と性能評価を行った。電磁界シミュレーション、構造体作製、THz測定による評価を系統的に行うことで、微小領域へのTHz集中、ならびに周波数フィルタの効果を示した。
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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
概ね順調に進展しており、課題に対しても原因が特定されている。研究項目毎に現在までの進捗状況を以下に示す。
研究項目① 決定論的ドーパントデバイスによる確率的情報処理システムの開発：デバイス実装のためには現実的な規模の回路とする必要があり、それに適した構造の設計を行い、新規開発したシミュレータにより妥当性が見出された。不足している部分も残されてはいるが、回路設計やシミュレータ作成については概ね順調に進んでいる。
研究項目② 決定論的ドーパントデバイスによる量子レジスタ形成と量子計測系の構築：NVセンター近傍の電子スピンとの結合（電子二重共鳴測定）の測定系構築と評価が完了した。これにより、量子ビット量子レジスタの機能拡張の可能性が見えてきた。一方、イオン注入により導入した不純物の核スピンや電子スピンと単一NVセンターとの磁気的結合については、未達成である。液体窒素を用いたダイヤモンド冷却系も構築したが、思うようにコヒーレンス時間が延長しないことが原因と考えている。
研究項目③ 決定論的ドーパントデバイスによる電界集中型THzセンシングの開発と新規計測の創出：ドーパントデバイスのTHzデバイス応用に向けて、局所THz光集中は必須の課題である。シミュレーションと実験両面から効果を確認でき、さらなる改善に向けた指針も得られたため、研究は概ね順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、決定論的ドーパントデバイスによる確率的情報処理システムの開発、量子レジスタの形成と量子計測系の構築、THzデバイスの開発に取り組む。研究項目毎の推進方策を以下に示す。
研究項目① 決定論的ドーパントデバイスによる確率的情報処理システムの開発：引き続き、世界初となる決定論的ドーパント情報処理システム用の回路シミュレータの完成を目指す。また、決定論的ドーパント回路用自然・生物的情報処理システムの構築、特にリザーバコンピューティング系や粘菌模倣系のシステム構築の検討を進める。
研究項目② 決定論的ドーパントデバイスによる量子レジスタ形成と量子計測系の構築：電子二重共鳴測定系の実装と評価をさらに拡張して、印加静磁場の精密制御を組み込む。これにより、浅い単一NVセンターと磁気的に結合している電子の相対位置や配置を解析できるような手法に拡張する。また、測定装置の冷却系の改良を施し、コヒーレンス時間の伸長を試みる。
研究項目③ 決定論的ドーパントデバイスによる電界集中型THzセンシングの開発と新規計測の創出：引き続き、ドーパントTHzデバイス創出に向けて、THz集光素子の高性能化・多機能化を行う。特に構造体の形状や作製方法を見直し、より精密な設計に基づく素子開発を行う。
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[Presentation] Dramatically enhancing SNR from single shallow NV centres in diamond nanopillars for qdyne measurements2024
Author(s)
Akirabha Chanuntranont, Kazuki Otani, Daiki Saito, Tomoki Ota, Yuki Ueda, Masato Tsugawa, Shuntaro Usui, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii
Organizer
Hasselt Diamond Workshop 2024 - SBDD XXVIII
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[Presentation] Mathematically enhancing signal-to-noise ratio of photonically enhanced Mathematically enhancing signal-to-noise ratio of photonically enhanced2024
Author(s)
Akirabha Chanuntranont, Kazuki Otani, Daiki Saito, Tomoki Ota, Yuki Ueda, Masato Tsugawa1, Shuntaro Usui, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu, Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii
Organizer
Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture Workshop
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[Presentation] Alternating magnetic field detection using a single shallow NV center in a nanopillar fabricated in the diamond surface2023
Author(s)
Akirabha Chanuntranont, Daiki Saito, Kazuki Otani, Tomoki Ota, Masato Tsugawa, Yuto Miyake, Shuntaro Usui, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii
Organizer
量子生命科学会第５回大会
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[Presentation] Doble electron-electron resonance between NV centers and free radicals2023
Author(s)
Masato Tsugawa, Ken Sekiguchi, Shuntaro Usui, Daiki Saito, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Manabu Tanaka, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii
Organizer
The 3rd International Symposium on Design & Engineering by Joint Inverse Innovation for Materials Architecture
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[Presentation] Double electron-electron resonance between NV centers and free radicals2023
Author(s)
Masato Tsugawa, Ken Sekiguchi, Shuntaro Usui, Daiki Saito, Yuto Miyake, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Takahiro Shinada, Manabu Tanaka, Hiroshi Kawarada, Takashi Tanii
Organizer
36th International Microprocesses and Nanotechnology Conference, November
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