量子スピン情報素子に向けた新構造シリコン量子ドットの開発

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26709023
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 量子ドット / 量子デバイス / スピン / 量子情報 / シリコン / 電荷センサ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、シリコン量子ドット中の電子スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことである。将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指す。物理としては、シリコン量子ドット構造に特有のスピン緩和要因、バレーやスピンの関与する電子輸送特性を明らかにすることを目指している。技術としては、Si基板やSi/SiGeヘテロ基板を利用した独自の量子ドット構造を作製する。また、Si基板から作製したMOS型新構造量子ドットやSiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットのそれぞれに適した電子スピンの操作技術や検出法を開発し、確立する。本年度は、特に、SiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットにおいてスピン操作を行い、操作の忠実度について調べる成果を共同研究によって得ることができた。
誤り耐性を持つ量子計算機の実現には、高い性能（ゲート操作忠実度）を持つ量子ビットを必要とする。今回、SiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットを作製し、その近傍に配置した微小磁石により生成される傾斜磁場中で、電子の位置を高速に電界制御することにより、量子ドット中の電子スピンを従来の１０倍程度速く操作することに成功した。比較的コヒーレンス時間の短い同位体未制御のシリコン中においても高いゲート操作忠実度を持つ量子ビットを実装した。具体的には、忠実度をランダム化ベンチマークの方法によって評価し、誤り耐性量子計算に必要な閾値を上回る９９．６％の操作忠実度を実現した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

SiGeヘテロ基板を利用した新構造シリコン量子ドットの近傍に微小磁石を作製し、微小磁石が生成する傾斜磁場中で、電子の位置を高速に電界制御することにより、量子ドット中の電子スピンを従来の１０倍程度高速に操作することに成功した。量子ビットの性能指数である忠実度をランダム化ベンチマークの方法によって評価し、誤り耐性量子計算に必要な閾値を上回る９９．６％の操作忠実度を実現した。本研究課題は、シリコン量子ドット中の電子スピンを情報の担い手として用いる量子計算の物理の解明、ハードウェアのための基本技術の実現を行うことを目的としている。将来的に既存シリコンテクノロジーと量子計算機の融合を目指しており、誤り耐性を持つ量子計算機の実現に向け、高い忠実度を持つ量子ビットを実現した本年度は、大きな進展を得たと言える。

Strategy for Future Research Activity

任意の量子計算を行うためには、今年度達成した単一量子ビットの高忠実度操作に加えて、２量子ビット間の量子もつれ操作が必要であることが知られている。量子ドット系においては、これはスピン交換結合の制御によって実現することができる。今後は、２量子ビット操作の制限要因である電荷揺らぎの影響を低減する改善を行い、２量子ビット操作においても誤り耐性忠実度をもつものを実現していく。また、SiGeヘテロ構造を利用した新構造量子ドットだけではなく、Si基板から作製したMOS型新構造量子ドットにおいても、量子ビットを実現していく。

Causes of Carryover

SiGeヘテロ基板を用いた新構造量子ドットにおいては、スピン操作に成功し、高いゲート操作忠実度も得ることができ、当初の計画以上の進展を得た。一方、シリコン基板を用いたMOS型新構造量子ドットにおいては、新奇な現象が観測され、体系的な追加実験を実施する必要、およびその成果の学会発表・論文投稿を行う必要があり、次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

物品費として、素子の測定に必要な寒剤、測定部品の計900,000円、旅費として、866,435円を使用する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 日立ケンブリッジ研究所(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: 日立ケンブリッジ研究所
• [Int'l Joint Research] デルフト工科大学(オランダ)
  • Country Name: NETHERLANDS
  • Counterpart Institution: デルフト工科大学
• [Journal Article] Charge sensing and spin-related transport property of p-channel silicon quantum dots (2017)
  • Author(s): Yamaoka Yu、Iwasaki Kazuma、Oda Shunri、Kodera Tetsuo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 56 Pages: 04CK07～04CK07
  • DOI: doi.org/10.7567/JJAP.56.04CK07
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coupled Quantum Dots on SOI as Highly Integrated Si Qubits (2016)
  • Author(s): S. Oda, G. Yamahata, K. Horibe and T. Kodera
  • Journal Title: Tech. Digest Of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Volume: 16 Pages: 13.3.1-13.3.4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Electron transport through a single nanocrystalline silicon quantum dot between nanogap electrodes (2016)
  • Author(s): T. Sawada, T. Kodera, and S. Oda
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 109 Pages: 213102-1-4
  • DOI: 10.1063/1.4968008
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Electron transport in physically-defined double quantum dots on a highly doped silicon-on-insulator substrate (2016)
  • Author(s): Y. Yamaoka, S. Oda, and T. Kodera
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. Volume: 109 Pages: 113109-1-4
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.4962841
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Quantum Information Processing in a Silicon-based System (2016)
  • Author(s): T. -Y. Yang, A. Andreev, Y. Yamaoka, T. Ferrus, T. Kodera, S. Oda, and D. A. Williams
  • Journal Title: Tech. Digest Of IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) Volume: 16 Pages: 34.2.1-34.2.4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] A fault-tolerant addressable spin qubit in a natural silicon quantum dot (2016)
  • Author(s): K. Takeda, J. Kamioka, T. Otsuka, J. Yoneda, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, S. Tarucha
  • Journal Title: Science Advanced Volume: 2 Pages: e1600694-1-6
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600694
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] スピン軌道相互作用量子ビットに向けたpチャネルシリコン量子ドットの正孔スピン輸送特性 (2017)
  • Author(s): 山岡 裕、岩崎 一真、小田 俊理、小寺 哲夫
  • 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
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] シリコン量子ドットにおける正孔輸送特性の温度依存性 (2017)
  • Author(s): 島谷 直樹、山岡 裕、石原 良一、Aleksey Andreev、David Williams、小田 俊理、小寺 哲夫
  • 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
  • Year and Date: 2017-03-15
• [Presentation] Transport through Si QDs in the devices for quantum information applications: Theory and experiment (2017)
  • Author(s): A Andreev, T-Y Yang, M F Gonzalez-Zalba, Y Yamaoka, T Ferrus, S Oda, T Kodera and D A Williams
  • Organizer: UK Quantum Dot Day Meeting 2017
  • Place of Presentation: Edinburgh, UK
  • Year and Date: 2017-01-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Information Processing in a Silicon-based System (2016)
  • Author(s): T. -Y. Yang, A. Andreev, Y. Yamaoka, T. Ferrus, T. Kodera, S. Oda, and D. A. Williams
  • Organizer: 2016 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2016-12-07
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupled Quantum Dots on SOI as Highly Integrated Si Qubits (2016)
  • Author(s): S. Oda, G. Yamahata, K. Horibe, and T. Kodera
  • Organizer: 2016 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)
  • Place of Presentation: San Francisco, USA
  • Year and Date: 2016-12-06
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical Properties and Equivalent-Circuit Model of Physically-Defined Silicon Triple Quantum Dots Charged with Few Electrons (2016)
  • Author(s): S. Hiraoka, K. Horibe, R. Mizokuchi, T. Kodera, and S. Oda
  • Organizer: 2016 Materials Research Society Fall meeting and exhibit
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2016-11-28
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Centre resonance frequency shift of a strongly driven silicon quantum dot spin qubit (2016)
  • Author(s): K. Takeda , J. Kamioka , J. Yoneda , T. Otsuka , M.R. Delbecq , G. Allison , T. Nakajima , T. Kodera , S. Oda , and S. Tarucha
  • Organizer: The international workshop on Nano-Spin Conversion Science and Quantum Spin Dynamics (NSCS-QSD 2016)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-10-12 – 2016-10-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-fidelity spin control in an enriched Si/SiGe quantum dot with a micromagnet (2016)
  • Author(s): J. Yoneda, K. Takeda, T. Otsuka, T. Nakajima, M.R. Delbecq, G. Allison, T. Honda, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, T. Usami, K.M. Itoh, and S. Tarucha
  • Organizer: The international workshop on Nano-Spin Conversion Science and Quantum Spin Dynamics (NSCS-QSD 2016)
  • Place of Presentation: Tokyo, Japan
  • Year and Date: 2016-10-12 – 2016-10-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single hole transport and magnetic field dependence of Pauli spin blockade in p-channel silicon double quantum dots (2016)
  • Author(s): Y. Yamaoka, K. Iwasaki, S. Oda and T. Kodera
  • Organizer: 2016 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2016)
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2016-09-26 – 2016-09-29
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Si/SiGe多重量子ドットの形成と電荷状態測定 (2016)
  • Author(s): 大塚朋廣, 武田健太, 米田淳, 本田拓夢, Matthieu Delbecq, Giles Allison, Marian Marx, 中島峻, 小寺哲夫, 小田俊理, 星裕介, 宇佐美徳隆, 伊藤公平, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] 同位体制御されたSi/SiGe量子ドットにおける単一電子スピン共鳴 (2016)
  • Author(s): 米田淳, 武田健太, 大塚朋廣, 中島峻, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, 本田拓夢, 小寺哲夫, 小田俊理, 星裕介, 宇佐美徳隆, 伊藤公平, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] 傾斜磁場中の単一電子スピン共鳴におけるACシュタルク効果 (2016)
  • Author(s): 武田健太, 神岡純, 米田淳, 大塚朋廣, M. R. Delbecq, G. Allison, 中島峻, 小寺哲夫, 小田俊理, 樽茶清悟
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 金沢大学、石川
  • Year and Date: 2016-09-15
• [Presentation] p型シリコン2重量子ドットにおけるパウリスピンブロッケード領域内漏れ電流の磁場依存性 (2016)
  • Author(s): 山岡 裕、岩崎 一真、小田 俊理、小寺 哲夫
  • 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
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] シリコン3重量子ドットの等価回路シミュレーション (2016)
  • Author(s): 平岡 宗一郎、堀部 浩介、小寺 哲夫、小田 俊理
  • 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
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] シリコン量子ドットにおける表面酸化膜中電荷のコヒーレンス効果 (2016)
  • Author(s): 前川 未知瑠、テノリオぺルル ハイメ、ヘルブスレブ エルンスト、山岡 裕、小寺 哲夫、小田 俊理
  • 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
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] Charge qubit states in isolated silicon structures (2016)
  • Author(s): T-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, T. Kodera, S. Oda, D. A. Williams
  • Organizer: Quantum Science Symposium Europe 2016
  • Place of Presentation: Cambridge, UK
  • Year and Date: 2016-07-21
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication and characterization of physically-defined quantum dots in an ultrathin silicon-on-insulator layer (2016)
  • Author(s): T. Kodera, S. Ihara, T. Nishino, S. Hiraoka, A. Andreev, D. Williams, S. Oda
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Magnetic field dependence of Pauli spin blockade in p-channel silicon double quantum dots (2016)
  • Author(s): Y. Yamaoka, K. Iwasaki, S. Oda, T. Kodera
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge qubit states in quantum dots : effect of doping on operations and coherence (2016)
  • Author(s): T. Ferrus, T-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, S. Oda, T. Kodera, D. Williams
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurement of charge states in Si/SiGe multiple quantum dots (2016)
  • Author(s): T. Otsuka, K. Takeda, J. Yoneda, T. Honda, M. R. Delbecq, G. Allison, M. Marx, T. Nakajima, T. Kodera, S. Oda, Y. Hoshi, N. Usami, K. M. Itoh, S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Multiplexed reflectometry measurement of a gate-defined Si-MOS quantum dot (2016)
  • Author(s): J. Yoneda, T. Honda, K. Takeda, M. Marx, T. Otsuka, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] AC Stark effect and optimal control of a strongly driven Si/SiGe quantum dot spin qubit (2016)
  • Author(s): K. Takeda, J Kamioka, J Yoneda, T Otsuka, M Delbecq, G Allison, T Nakajima, T Kodera, S Oda, S. Tarucha
  • Organizer: Silicon Quantum Electronics Workshop 2016
  • Place of Presentation: Delft, Netherland
  • Year and Date: 2016-06-13 – 2016-06-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Charge qubit states in quantum dots : effect of doping on operations and coherence (2016)
  • Author(s): T. Ferrus, T-Y. Yang, Y. Yamaoka, T. Kambara, S. Oda, T. Kodera, D. Williams
  • Organizer: The 9th International Conference on Quantum Dots (QD2016)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Controlling the asymmetric line-shape of charge-trapped induced resonances in a single quantum dot (2016)
  • Author(s): M. Maekawa, J. T. Pearl, E. Herbschleb, Y. Yamaoka, T. Kodera, S. Oda
  • Organizer: The 9th International Conference on Quantum Dots (QD2016)
  • Place of Presentation: Jeju, Korea
  • Year and Date: 2016-05-22 – 2016-05-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Spin-based quantum information devices using physically-defined silicon quantum dots (2016)
  • Author(s): T. Kodera
  • Organizer: EMN Meeting on Quantum 2016 (EMN2016)
  • Place of Presentation: Phuket, Thailand
  • Year and Date: 2016-04-08 – 2016-04-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] T2R2東京工業大学リサーチリポジトリ
  • URL: http://t2r2.star.titech.ac.jp/cgi-bin/researcherpublicationlist.cgi?q_researcher_content_number=CTT100574609