2014 Fiscal Year Annual Research Report
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25220601
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
仙場 浩一 独立行政法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所, 上席研究員 (50393773)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
根本 香絵 国立情報学研究所, 大学共同利用機関等の部局等, 教授 (80370104)
水落 憲和 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (00323311)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 巨視的量子系 / 共振器量子電磁力学 / 超伝導量子ビット / 回路QED / スクイージング / ダイヤモンド / NV中心 / スピン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成26年度は、スペクトロスコピーで検出可能な超強結合領域で発現する特徴を理論的に抽出することに成功した（共同提案者・海外研究協力者 S. Ashhab博士との共同研究）。また、超伝導回路等と強結合したスピン系のコヒーレンス寿命に関する常識を覆す理論的新知見を得た。この結果は、Phys. Rev. Lett .誌に掲載され、共同研究者 NTT-NII-大阪大-NICT 共同で報道発表を行った。
各研究グループでの研究実績の概要は以下のとおり：
NICTグループでは、初年度に構築した希釈冷凍機測定系とジョセフソン・パラメトリック増幅（JPA）技術を用いて、平均光子数１程度の非常に微弱なマイクロ波量子状態の位相敏感増幅に成功した。この結果を超伝導巨視的量子状態の高精度測定に適宜応用していく。
NIIグループではダイヤモンドNV中心の電子スピン集団とボソン系のハイブリッドで出現するスクイージングについて、さらに検討した。特に、半古典的な解析との比較により、スクイージングや巨視的重ね合わせ状態のような特徴的な状態の出現のダイナミクスについて理解を深めた。また、ボソン系だけでなく、超伝導量子ビットとの相互作用の場合と比較するなど、集団が作る状態について多角的に議論した。
大阪大学グループではN-V軸を結晶軸に対し、1つの方向のみに揃えることに成功した。通常は結晶軸に対し、４つの方向に向き得るが、この向きに依存してスピン状態間のエネルギーが変わるため、超伝導量子ビットと量子結合させるNV中心の数は全体の1/4のみであった。今回の制御技術により、同じ濃度の試料で比較すると、超伝導量子ビットと量子結合させる向きを持つNV中心の濃度を4倍にでき、量子結合の改善が期待される。
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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
H26年度は、超伝導量子回路等と強結合したスピン系のコヒーレンス寿命に関する常識を覆す理論的新知見が得られ、Phys. Rev. Lett .誌への掲載および報道発表が反響を呼ぶなど、進展があった。
以下、各グループでの具体的な達成度を記す:
NICTグループでは位相敏感増幅が可能なジョセフソン・パラメトリック増幅（JPA)検出技術を改良し、平均光子数１程度の基底状態付近の信号増幅技術を獲得した。超強結合状態の試料入手に向けて、[A]回路設計 による試料の設計・試作・測定を開始した。また、[B]集団増強効果による超強結合状態の準備に向けて 研究分担者（NII：理論研究、大阪大学：NVダイヤモンド）および、連携研究者（NTT、大阪市立大）と協力しながら研究は順調に進展している。
NIIグループでは電子スピン集団の量子的なダイナミクスと、半古典的な系の解析を比較することで、量子的な状態生成の過程を理解することができた。また、さらに系を拡張することにより、新しい現象の可能性が示された。この解析は他の系にも応用可能である。
大阪大学グループではN-V軸を結晶軸に対し、1つの方向のみに揃えることに成功した。これは超伝導量子ビットとNV中心のスピンによるハイブリッド系のために、NV中心の濃度が適度に存在し、かつコヒーレンス時間の長いダイヤモンド試料を得ようとする目的に対し、大きな進展である。
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| Strategy for Future Research Activity |
超強結合状態の観測に向けて、[A]回路設計 による超強結合試料の作製と測定を開始する（NICT、NTT）。また、[B]集団増強効果による超強結合状態の実現に向けて 研究分担者（NII：理論研究、大阪大：NVダイヤモンドの改良）および、連携研究者（NTT：複数量子ビット実験、大阪市立大：分子設計・合成 ）と協力しながら研究を推進する。また、これまでに獲得した極微弱信号の位相敏感増幅検出技術を用いて、スペクトロスコピーによる超強結合基底状態の特徴抽出を試みる。
以下、各研究分担グループの研究推進方策を記す：
NICTグループでは、昨年度獲得したジョセフソン・パラメトリック増幅（JBA)技術を改良し、基底状態付近の量子状態制御・測定手段として、スクイーズされた真空ゆらぎの生成と測定を目指す。超伝導磁束量子ビットが [A]回路設計 [B]集団増強 によってマイクロ波共振器と強結合するよう設計された試料の作製・測定を繰り返し、理論が予言する スペクトロスコピーで検出可能な超強結合領域で発現する現象の観測を目指す。また、ダイヤモンドのNVセンタースピン集団を介した超伝導量子回路と可視波長光子との強結合の生成と制御を目指し、大阪大学グループと協力して希釈冷凍機温度での光学実験の準備を進める。
NIIグループではこれまでの解析方法を元に、系をさらに拡張して半古典的な性質と比較しながら量子的なダイナミクスを理解する。これらの物理過程を用い、新奇現象の発現や理解、またこれら量子的状態の技術への応用方法について検討する。
大阪大学グループでは、導入した設備をもとに、低温における共焦点レーザー顕微鏡装置と光検出磁気共鳴装置の高感度化に向けた改良を、引き続き行っていく。また、NV中心の濃度が適度に存在し、かつコヒーレンス時間の長いダイヤモンド試料が得られるよう、試料作製プロセスの評価を引き続き行っていく。
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[Journal Article] Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy center in diamond2014
Author(s)
T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, R. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T. Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M. Hatano, Y. Sakagawa, H. Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y. Suzuki, N. Mizuochi
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 7
Pages: 055201-1～4
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Journal Article] Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system2014
Author(s)
Y. Matsuzaki, X. Zhu, K. Kakuyanagi, H. Toida, T. Shimo-oka, N. Mizuochi, K. Nemoto, K. Semba, W. J. Munro, H. Yamaguchi, S. Saito
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Journal Title
Physical Review Letters
Volume: 114
Pages: 120501-1～5
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
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[Presentation] 超伝導磁束量子ビットに結合したＮＶ中心の磁場印加による寿命の改善2015
Author(s)
松崎雄一郎, シャオボー・ズー, 角柳孝輔, 樋田啓, 下岡 孝明, 水落憲和, 根本香絵, 仙場浩一, ウィリアム ムンロー, 山口浩司, 齊藤志郎
Organizer
応用物理学会
Place of Presentation
東海大学湘南キャンパス, 神奈川県平塚市
Year and Date
2015-03-11 – 2015-03-14
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[Presentation] Improving the coherence time of a quantum system via a coupling with an unstable system2015
Author(s)
Y. Matsuzaki, X. Zhu, K. Kakuyanagi, H. Toida, T. Shimo-oka, N. Mizuochi, K. Nemoto, K. Semba, W. J. Munro, H. Yamaguchi, S. Saito
Organizer
American Physical Society March Meeting 2015
Place of Presentation
San Antonio, Texas,USA
Year and Date
2015-03-02 – 2015-03-06
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[Presentation] Perfect selective orientation of nitrogen vacancy centers in diamond2015
Author(s)
T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, Y. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T.Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M.Hatano, Y. Sakagawa, H.Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y.
Organizer
American Physical Society March Meeting 2015
Place of Presentation
San Antonio, Texas,USA
Year and Date
2015-03-02 – 2015-03-06
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[Presentation] ダイヤモンド中のNVセンターの選択的な一軸方向への制御2014
Author(s)
福井貴大, 土井悠生, 宮崎剛英, 宮本良之, 加藤宙光, 松本翼, 牧野俊晴, 山崎聡, 森本隆介, 徳田則夫, 波多野睦子, 坂川優希, 森下弘樹, 田嶌俊之, 三輪真嗣, 鈴木義茂, 水落 憲和
Organizer
応用物理学会・秋季学術講演会
Place of Presentation
北海道大学, 北海道, 札幌市
Year and Date
2014-09-18 – 2014-09-18
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[Presentation] Perfect selective alignment of nitrogen-vacancy center in diamond2014
Author(s)
T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, Y. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T.Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M.Hatano, Y. Sakagawa, H.Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y.
Organizer
25th International Conference on Diamond and Carbon Materials（DCM2014)
Place of Presentation
Madrid, Spain
Year and Date
2014-09-08 – 2014-09-11
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[Presentation] Perfect alignment of the orientation of nitrogen-vacancy center in diamond2014
Author(s)
T. Fukui, Y. Doi, T. Miyazaki, Y. Miyamoto, H. Kato, T. Matsumoto, T.Makino, S. Yamasaki, R. Morimoto, N. Tokuda, M.Hatano, Y. Sakagawa, H.Morishita, T. Tashima, S. Miwa, Y.
Organizer
The 15th IUMRS-International Conference in Asia
Place of Presentation
Fukuoka University, Fukuoka
Year and Date
2014-08-24 – 2014-08-26
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