Realization of several-qubit quantum register by fabrication of nanoscale-array of NV centers in diamond

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26246001
• Research Institution: University of Tsukuba
• Principal Investigator: 磯谷 順一 筑波大学, 図書館情報メディア系(名誉教授), 名誉教授 (60011756)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708) ; 小野田 忍 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子応用研究所 先端機能材料研究部, 主幹研究員(定常) (30414569) ; 寺地 徳之 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性研究拠点, 主幹研究員 (50332747) ; 川原田 洋 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90161380)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: ダイヤモンド / NVセンタ / イオン注入 / EBリソグラフィ / 量子レジスタ / 時間結晶 / 量子コンピューティング / 量子センサ

Outline of Annual Research Achievements

単一NVセンターの電子スピンは、「室温電子スピン」と呼ぶにふさわしい特性（光による初期化・読み出し、マイクロ波パルスによるコヒーレント操作、長いコヒーレンス時間）をもっている。本研究では、コヒーレント結合したNVセンター配列を作製し、室温動作の量子レジスタを数量子ビットに拡張することをめざした。このためEBリソグラフィで作製した規則的に並んだナノホールを持つレジスト・マスクを用い、平坦な成長面を持つ12C濃縮・高純度CVDダイヤモンド結晶に、窒素分子イオン（15N2+、20 keV）注入、熱処理（1000℃）によって、距離～13 nmのNVセンター配列を蛍光スポット配列として作製する技術を開発した。NVセンター数/スポットのポアッソン分布の平均値（0.97～20）の制御、および、ODMR周波数から個々の電子スピンを識別できる2～4個の配列作製の再現性が確認された。これにより、電荷安定化のための燐ドープ、コヒーレンス時間を改善するための追成長に取り組む段階に進むことができる。
2.5 keV窒素イオン注入とナノホール（径20 nm）注入を組み合わせ、共焦点顕微鏡で読み取れるアドレスをもつ、浅い単一NVの配列（ポアッソン分布の平均値1.40）の作製に成功した（イマージョンオイルの1H-NMRにより測定した深さは2～10 nm）。望みの深さのNVに再現性良く容易にアクセスできるナノNMR用量子センサーアレイが作製できた。
「室温量子スピン」が相互作用する量子多体系として、平均距離5 nmの高濃度のNVセンターを高温電子線照射により作製した。このうち３次元の不規則性を持つ～100万の室温電子スピンの集団を用いて、室温での離散的時間結晶の生成を実証することに成功した。この結果は捕獲イオン10個を1次元に並べた極低温の実験（メリーランド大学）の論文と並んでNatureに掲載された。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ウルム大学/シュツットガルト大学(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: ウルム大学/シュツットガルト大学
• [Int'l Joint Research] ウィーン工科大学(オーストリア)
  • Country Name: AUSTRIA
  • Counterpart Institution: ウィーン工科大学
• [Int'l Joint Research] CEA, Sacley(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: CEA, Sacley
• [Int'l Joint Research] ハーバード大学/プリンストン大学/カリフォルニア大学バークレー校(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ハーバード大学/プリンストン大学/カリフォルニア大学バークレー校
• [Journal Article] Observation of discrete time-crystalline order in a disordered dipolar many-body system (2017)
  • Author(s): Soonwon Choi, Joonhee Choi, Renate Landig, Georg Kucsko, Hengyun Zhou, Junichi Isoya, Fedor Jelezko, Shinobu Onoda, Hitoshi Sumiya, Vedika Khemani, Curt von Keyserlingk, Norman Y. Yao, Eugene Demler and Mikhail D. Lukin
  • Journal Title: Nature Volume: 543 Pages: 221-225
  • DOI: 10.1038/nature21426
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Depolarization dynamics in a strongly interacting solid-state spin ensemble (2017)
  • Author(s): Joonhee Choi, Soonwon Choi, Georg Kucsko, Peter C. Maurer, Brendan J. Shields, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, Eugene Demler, Fedor Jelezko, Norman Y. Yao, and Mikhail D. Lukin
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 118 Pages: 093601
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.093601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Homoepitaxial diamond chemical vapor deposition for ultra-light doping (2016)
  • Author(s): T. Teraji, J. Isoya, K. Watanabe, S. Koizumi, Y. Koide
  • Journal Title: Materials Science Semiconductor Processing Volume: ー Pages: ー
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2016.11.012
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Towards a spin-ensemble quantum memory for quantum qubits (2016)
  • Author(s): Cecile Grezes, Yuimaru Kubo, Brian Julsgaard, Takahide Umeda, Junichi Isoya, Hitoshi Sumiya, Hiroshi Abe, Shinobu Onoda, Takeshi Ohshima, Kazuo Nakamura, Igor Diniz, Alexia Auffeves, Vincent Jacques, Jean-Francois Roch, Denis Vion, Daniel Esteve, Klaus Moelmer, Patrice Bertet
  • Journal Title: Comptes Rendus Physique Volume: 17 Pages: 693-704
  • DOI: 10.1016/jcrhy2016.07.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Collective strong coupling with homogeneous Rabi frequencies using a 3D lumped element microwave resonator (2016)
  • Author(s): Andreas Angerer, Thomas Astner, Daniel Wirtitsch, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, Stefan Putz, and Johannes Majer
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 109 Pages: 033508
  • DOI: 10.1063/1.4959095
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] 浅い単一 NV センターの規則的配列を用いた表面の水素核スピンの検出 (2017)
  • Author(s): 福田諒介, 東又格, 岡田拓真, 加賀美理沙, 寺地徳之, 小野田忍, 春山盛善, 山田圭介, ,稲葉優文, 山野楓, P.Balasubramanian, F.Stuener, S.Schmitt, L.McGuinness, F.Jelezko, 大島武, 品田高宏, 川原田洋, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井孝至
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] イオン注入による原子空孔の形成とNVセンターへの変換効率 (2017)
  • Author(s): 小野田忍, 立見和雅, 春山盛善, 寺地徳之, 磯谷順一, 山田圭介, 谷井孝至, 川原田洋, 品田高宏, 加田渉, 花泉修, 大島武
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] イオン注入法によって作製したNVセンター近傍の欠陥のナノスケール磁気共鳴測定 (2017)
  • Author(s): 春山盛善、小野田忍、加田渉、磯谷順一、寺地徳之、山野颯、川原田洋、大島武、花泉修
  • Organizer: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市）
  • Year and Date: 2017-03-14
• [Presentation] Diffusion of vacancies created by high energy heavy ion strike into diamond (2017)
  • Author(s): Shinobu Onoda, Kazumasa Tatsumi, Moriyoshi Haruyama, Tokuyuki Teraji, Junichi Isoya, Wataru Kada, Takeshi Ohshima, Osamu Hanaizumi
  • Organizer: Hasselt Diamond Workshop 2017 SBDD XXII
  • Place of Presentation: Cultuurcentrum Hasselt, Hasselt, Belgium
  • Year and Date: 2017-03-08 – 2017-03-10
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中における単一電子スピンの光検出磁気共鳴測定 (2017)
  • Author(s): 小野田忍
  • Organizer: 先端放射線化学シンポジウム2017
  • Place of Presentation: 大阪大学産業科学研究所（大阪府茨木市）
  • Year and Date: 2017-02-28
• [Presentation] ミリ秒を超えるコヒーレンス時間を実現するための熱処理条件の最適化 (2016)
  • Author(s): 小野田 忍, 立見 和雅, 春山 盛善, 寺地 徳之, 磯谷 順一, 山野 颯, 川原田 洋, 加田 渉, 花泉 修, 大島 武
  • Organizer: 第30回 ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学駒場リサーチキャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] パルスODMR測定法を用いたNVセンター近傍の常磁性欠陥の評価 (2016)
  • Author(s): 春山 盛善, 小野田 忍, 寺地 徳之, 山野 颯, 川原田 洋, 加田 渉, 大島 武, 磯谷 順一, 花泉 修
  • Organizer: 第30回 ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学駒場リサーチキャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] 量子センシングのための浅い単一NVセンターの規則配列形成：イマージョンオイル中の水素核スピン計測, (2016)
  • Author(s): 東又格, 岡田拓真, 加賀美理沙, 寺地徳之, 小野田忍, 春山盛善, 山田圭介, ,稲葉優文, 山野楓, P.Balasubramanian, F.Stuener, S.Schmitt, L.McGuinness, F.Jelezko, 大島武, 品田高宏, 川原田洋, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井孝至
  • Organizer: 第30回 ダイヤモンドシンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学駒場リサーチキャンパス（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2016-11-16
• [Presentation] イオン注入を用いたSiVセンターの作製と生成収率のエネルギー依存性評価 (2016)
  • Author(s): 加賀美理沙, 東又格, 岡田拓真, 寺地徳之, 小野田忍, 春山盛善, 大島武, 品田高宏, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いたNVセンター配列の作製Ⅱ (2016)
  • Author(s): 岡田拓真, 東又格, 加賀美理沙, 寺地徳之, 小野田忍, 山田圭介, 春山盛善, 稲葉優文, 山野颯, P.i Balasubramanian, B. Naydenov, L. McGuinness, F. Jelezko, 大島武, 品田高宏, 川原田洋, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井 孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] ナノホールレジストマスクを用いた低エネルギーイオン注入による量子センシングのためのNVセンター配列の作製 (2016)
  • Author(s): 東又格, 岡田拓真, 加賀美理沙, 寺地徳之, 小野田忍, 春山盛善, 山田圭介, 稲葉優文, 山野颯, P. Balasubramanian, L. P McGuinness, B. Naydenov, F. Jelezko, 大島武, 品田高宏, 川原田洋, 加田渉, 花泉修, 磯谷順一, 谷井孝至
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 3D imaging of defects in high-purity homoepitaxial diamond (100) films (2016)
  • Author(s): T. Teraji, K. Watanabe
  • Organizer: DCM2016
  • Place of Presentation: Le Corum, Montpellier, France
  • Year and Date: 2016-09-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of nitrogen-vacancy centers by implantation through nano-holes in resist mask (2016)
  • Author(s): I. Higashimata, G. Koike, T. Teraji, S. Onoda, M. Inaba, P. Balasubramanian, L. P. McGuinness, B. Naydenov, F. Jelezko, T. Ohshima, T. Shinada, H. Kawarada, J. Isoya, T. Tanii
  • Organizer: The 67th Diamond Conference
  • Place of Presentation: University of Warwick, Coventory, United Kingdom
  • Year and Date: 2016-07-11 – 2016-07-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrapure diamond growth by microwave plasma-assisted chemical vapor deposition (2016)
  • Author(s): T. Teraji
  • Organizer: 7th International Symposium on Control of Semiconductor Interfaces, ISCSI-VII
  • Place of Presentation: Nagoya Univiversity, Nagoya, Aichi
  • Year and Date: 2016-06-08
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High quality homoepitaxial diamond growth by chemical vapor deposition for high-performance electronic devices (2016)
  • Author(s): T. Teraji
  • Organizer: 0th International Conference on New Diamond and Nano Carbons (NDNC2016)
  • Place of Presentation: THE WESTIN XIAN, Xian, China
  • Year and Date: 2016-05-23
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 超高純度ダイヤモンドの成長とその物性 (2016)
  • Author(s): 寺地徳之
  • Organizer: 第8回窒化物半導体結晶成長講演会
  • Place of Presentation: 京都大学（京都府京都市）
  • Year and Date: 2016-05-10
  • Invited