| Project/Area Number |
23H05458
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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Broad Section D
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| Research Institution | The University of Osaka |
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Principal Investigator |
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
都倉 康弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20393788)
岩本 敏 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (40359667)
木山 治樹 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (80749515)
澤野 憲太郎 東京都市大学, 理工学部, 教授 (90409376)
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| Project Period (FY) |
2023-04-12 – 2028-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2025)
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| Budget Amount *help |
¥205,140,000 (Direct Cost: ¥157,800,000、Indirect Cost: ¥47,340,000)
Fiscal Year 2025: ¥37,960,000 (Direct Cost: ¥29,200,000、Indirect Cost: ¥8,760,000)
Fiscal Year 2024: ¥34,710,000 (Direct Cost: ¥26,700,000、Indirect Cost: ¥8,010,000)
Fiscal Year 2023: ¥60,060,000 (Direct Cost: ¥46,200,000、Indirect Cost: ¥13,860,000)
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| Keywords | 光子―スピン量子インターフェース / Ge量子ドット / 量子中継 / スピン量子状態発光素子 / 量子ドット / 光子-スピン量子インターフェース / 光子ースピン量子インターフェース |
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| Outline of Research at the Start |
将来の量子情報の社会実装に不可欠な量子ネットワークの要素技術である量子中継技術の革新的な発展を目指し、半導体スピン量子ビットとナノフォトニクス技術に基づく光子―スピン量子インターフェースの高度化と新たな量子機能の創製のための学理を研究する。具体的には、通信波長光子の偏光状態からスピン状態へ高効率に変換し、長いメモリ時間を持つ高性能量子インターフェースと、スピン状態からもつれ光子対を生成する新しい量子光源のための基礎学理の研究を遂行する。これにより量子中継開発を大きく進展させる新しい半導体量子スピンフォトニクス分野を開拓する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．通信波長帯で高効率変換を実現する量子インターフェース
都倉グループはGeの電子スピン特性に対する歪みと量子閉じ込め効果を経験的手法により解析し、伝導帯の電子のg因子は正孔より十分大きく、Ge正孔スピンを用いた量子メモリが量子中継へ応用可能であることを示した。またGe系の強いスピン・軌道相互作用による電気双極子スピン共鳴の特徴を理論的に解明した。澤野グループは歪みGe層の下地となるSiGe歪み緩和バッファー層に、低温成長層と高温成長層を交互に成長する2段階での組成上昇を利用することで、2次元正孔移動度の大幅向上を確認した。またSiGe緩和層を形成した際に、部分的に結晶クラックが発生することと、パターニング手法によって抑制できることを発見した。大岩グループは澤野グループの歪みGe量子井戸基板を使って量子ドットの作製を試みている。未だ量子ドット動作が実現できていないが、作製の課題解決の指針を得ている。岩本グループはGe量子ドットの吸収増大を目的に、Ge量子井戸を含むSiGeスラブ構造を基にブルズアイ共振器を設計し、偏光無依存動作を可能にする縮退共振器モード（波長1363nm）が可能で、光吸収率は共振器構造のない場合の1000倍以上であること示した。さらに、澤野グループが作製したGOI基板を用いて、Geブルズアイ共振器の作製に成功し、共振器モードを実験的に確認した。木山グループは、共振器中のレイアウト制限やベル測定手法の条件を満たす十字型5重量子ドットアレイおよび光励起スピンに対するベル測定手法を考案した。ベル測定で重要な高速かつ高精度な単一スピン読み出し法として、二重ラッチング機構を開発した。
２. スピン量子状態発光デバイス
大岩グループはシミュレーションにより、面内p-i-n接合内に単一電子、単一正孔を独立に閉じ込める量子ドットを設計し、発光強度の調整方法を検証した。
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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
Geブルズアイ共振器による高効率変換の実現では、Geブルズアイ共振器の設計やGOI基板を使ったGeブルズアイ共振器構造の試作と共振器モードの観測など目標を大きく前倒しして達成した。またGe伝導帯の電子スピンのg因子の理論解析を行い、Ge正孔系に対する光子偏光－正孔スピン量子状態変換が可能であるという本研究の重要な原理を実証できた。また量子中継で必須のベル測定手法を検討し、ベル測定をブルズアイ共振器中で可能にする十字型5重量子ドットアレイという新しい構造を着想し、光生成スピンに対するベル測定手法とともに提案を行った。Ge量子ドットを含むGeブルズアイ構造を使った革新的な量子中継器の実現のための重要な基本概念と基盤技術となる多くの成果が、計画通りあるいは前倒しで得られており、順調に研究が進展していると言える。
その一方で、ゲートリークなどデバイス作製に起因する問題でGe量子ドットの開発は未達成である。また高品質Ge２次元正孔系の実現では、歪みGe量子井戸形成の前段階としてのSiGeバッファー層の形成過程において、当初は予期していなかったクラック結晶欠陥の発生という問題が生じた。またスピン量子状態発光デバイスの研究では、面内p-i-n接合中に電子・正孔ゲート制御量子ドットを作製することには成功したものの、電子型・正孔型量子ドット動作には成功していない。しかしこれらの問題については解決の方針を得ており、達成できる見通しは立っており、プロジェクト目標達成に大きな問題は生じていない。
当初は予定がなかったが、基盤研究（S）「Ⅳ族半導体量子構造におけるスピンコヒーレンス工学の開拓（東京科学大学 小寺哲夫）」との合同ワークショップの開催により双方の研究活動の活性化と若手研究者の育成を促進することができた。
以上により、全体としては、概ね順調に研究が進捗していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．通信波長帯で高効率変換を実現する量子インターフェース
大岩グループと木山グループは、R7年度にGe量子ドットの作製技術を確立し、その動作実証を目指す。R8前半にかけて、提案した光子偏光から正孔スピンへの量子状態変換の実証を目指す。澤野グループは、パターニング手法をより高品質SiGe緩和バッファー層と、その上の高移動度歪みGe量子井戸構造を完成させる。さらにその量子井戸構造をGe-on-Insulatorに転写する技術開発を進める。核スピンを持たない同位体で精製したGe量子井戸基板の成長も試みる。岩本グループは、吸収効率の向上のため、R6年度に作製したGeブルズアイ共振器の評価を進め、共振器波長制御、高Q値化に向けた、設計および作製プロセスの最適化を行う。木山グループは、R7年度以降、十字型5重量子ドットの作製に着手し、スピン制御と読み出しの基盤技術の開発に取り組む。R8年度以降、全グループが連携し、Geブルズアイ共振器に十字型5重量子ドットアレイを統合し、大岩グループの極低温光学系付希釈冷凍機で高効率変換量子インターフェースの原理実証を目指す。それと並行して、大岩グループと岩本グループはGaAsブルズアイ共振器-量子ドット素子での吸収増大の原理実証を目指す。都倉グループは量子状態変換のデコヒーレンス特性、光生成スピンのコヒーレント操作とベル測定、Ge の核スピンを用いた長寿命メモリについて理論検討を進める。
２. スピン量子状態発光デバイス
大岩グループはR7年度中に、面内p-n接合中にゲート制御量子ドットを実現する。並行して大岩グループと都倉グループは、スピンから光子への量子状態変換を実現する光学遷移とデバイス設計を検討する。R8年度には電子スピンからの偏光光子への発光の観測を目指す。R8年度以降、スピン一重項状態から偏光もつれ光子対を生成する遷移過程の理論的検討と原理実証を目指す。
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| Assessment Rating |
Interim Assessment
A: 順調に研究が進展しており、期待どおりの成果が見込まれる
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