シリコンMOS技術と整合性をもつスピン量子ビットとその大規模集積化

• 研究課題/領域番号: 15H04000
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 大野 圭司 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 専任研究員 (00302802)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円); 2019年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2018年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2017年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円); 2016年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円); 2015年度: 7,540千円 (直接経費: 5,800千円、間接経費: 1,740千円)
• キーワード: スピン / 量子ビット / シリコン / MOS素子 / スピン量子ビット / 量子コンピュータ / 量子ドット

研究成果の概要

本提案の目標は3つ、1)MOSFET内のDB欠陥による電子スピン・核スピン量子ビットの実現、2)欠陥の個数、位置および準位エネルギーの制御、3) 2つのMOSFETにそれぞれ存在する量子ビットを結合する技術の理論研究である。研究は当初のDB欠陥を深い不純物へ、MOSFETをその一種であるTFETへと変更しつつ行われた。目標1)を達成しただけでなく、従来よりも2桁も高い温度10ケルビンでの量子ビット動作を実現した。また深い不純物を利用によりその密度および準位エネルギーの制御が可能となり、目標2)もほぼ達成できた。3)に関しては理論的研究を進めただけでなく、予備実験を行うことができた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で実現したシリコン量子ビットの高い動作温度は、ミリケルビン温度域での動作が常識的であり、そこでの制御の精度のみをスペックとして競っていた従来の量子ビット研究の価値観を大きく転換するものであった。申請者が本提案で初めて指摘した概念“深い準位で実装される室温動作シリコン量子ビット”は従来の想定とは全くことなる新しい使われ方をする量子計算機の可能性を切り開いた。例えばクラウド利用が前提であるミリケルビン量子計算機に対し、モバイル機器を含むあらゆる計算機に搭載可能な室温動作シリコンビットは、従来の提案とは全くことなった量子技術の社会実装につながるものである。

研究成果

• [国際共同研究] B. Verkin Institute(ウクライナ)
• [国際共同研究] B. Verkin Institute(ウクライナ)
• [雑誌論文] 温動作シリコン量子ビットとその量子干渉効果 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司
  • 雑誌名: 電子情報通信学会誌 巻: 103 ページ: 275-281
• [雑誌論文] Application of single-electron effects to fingerprints of chips using image recognition algorithms (2019)
  • 著者名/発表者名: Tanamoto T.、 Nishi Y.、Ono K.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 115 号: 3 ページ: 033504-033504
  • DOI: 10.1063/1.5100644
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-temperature operation of a silicon qubit (2019)
  • 著者名/発表者名: [K. Ono, T. Mori, S. Moriyama
  • 雑誌名: Scientific reports 巻: 9 号: 1 ページ: 469-469
  • DOI: 10.1038/s41598-018-36476-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum interferometry with a g-factor-tunable spin qubit (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ono, S. N. Shevchenko, T. Mori, S. Moriyama, F. Nori
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 印刷中
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hole Spin Resonance and Spin-Orbit Coupling in a Silicon Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ono, G. Giavaras, T. Tanamoto, T. Ohguro, X. Hu, F. Nori
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 119 号: 15 ページ: 156802-156802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.156802
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Critical Behavior of Alternately Pumped Nuclear Spins in Quantum Dots (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Kondo, S. Amaha, K. Ono, K. Kono, and S. Tarucha
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 号: 18 ページ: 18603-18603
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.186803
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Electronic Magnetization of a Quantum Point Contact Measured by Nuclear Magnetic Resonance. (2015)
  • 著者名/発表者名: Minoru Kawamura, Keiji Ono, Peter Stano, Kimitoshi Kono, and Tomosuke Aono
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 115 号: 3 ページ: 036601-036601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.115.036601
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Dynamic creation of a topologically-ordered Hamiltonian using spin-pulse control in the Heisenberg model (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Tanamoto,K. Ono,Y. X. Liu, and F. Nori,
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 5 号: 1 ページ: 10076-10076
  • DOI: 10.1038/srep10076
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 高温動作シリコン量子ビットとその量子干渉効果 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司
  • 学会等名: 理研－産総研第5回量子技術イノベーションコアWorkshop
  • 招待講演
• [学会発表] A high-temperature silicon qubit and its quantum interference (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiji Ono
  • 学会等名: Canada-Japan Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A high-temperature silicon qubit and its quantum interference (2019)
  • 著者名/発表者名: Keiji Ono
  • 学会等名: 019 Asia-Pacific Workshop on Fundamentals and Applications of Advanced Semiconductor Devices (AWAD 2019)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Search for deep impurities for room temperature silicon qubits (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Ban, T. Mori, S. Moriyama, K. Ono
  • 学会等名: Topical Conference on Quantum Computing 2019
  • 国際学会
• [学会発表] A high-temperature silicon qubit and its quantum interference (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: The 2nd Symposium for World Leading Research Centers‐ Materials Science and Spintronics‐
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A high-temperature silicon qubit and its quantum interference (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: RIKEN-Berkeley workshop on Quantum Information Science (RB19)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A high-temperature silicon qubit and its quantum interference (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: International Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スピンブロッケード状態にある2つのスピンのラビ振動とその相関 (2018)
  • 著者名/発表者名: 大野 圭司、森 貴洋、森山 悟士
  • 学会等名: 日本物理学会2018年秋季大会
• [学会発表] シリコントンネルトランジスタのスピン量子ビット応用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 森 貴洋、森山 悟士、松川 貴、安田 哲二、大野 圭司
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 面内磁場下の量子ポイントコンタクトにおける動的核スピン偏極 (2018)
  • 著者名/発表者名: 青野友祐、Peter Stano、川村稔、大野圭司、小峰啓史
  • 学会等名: 日本物理学会第73回年次大会
• [学会発表] スピン量子ビットによるMotional averaging (2017)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司、森貴洋、森山悟士
  • 学会等名: 日本物理学会第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学豊中キャンパス
  • 年月日: 2017-03-17
• [学会発表] 最近の半導体量子ドット・スピン量子ビット研究を理解するための基礎知識 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司
  • 学会等名: 日本物理学会2017年秋季大会
  • 招待講演
• [学会発表] シリコン量子系のスピン制御、シンポジウムハイブリッド量子系における電磁界制御 (2017)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋期学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Toward high operation temperature of spin qubits in silicon tunnel field-effect transistor (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: Low-Dimensional Science workshop 2017
  • 招待講演
• [学会発表] Hole spin resonance and spin-orbit coupling in a silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Ono, G. Giavaras, T. Tanamoto, T. Ohguro, X. Hu, and F. Nori
  • 学会等名: International workshop on Silicon Quantum Electronics Workshop
• [学会発表] Quantum dots and spin qubits based on silicon tunnel field-effect transistors (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriyama, Takahiro Mori, Keiji Ono
  • 学会等名: WINDS 2017, 2017 Workshop in Innovative Nanoscale Devices and Systems
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum-dot transport via deep levels in silicon tunnel field-effect transistors (TFETs) (2017)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriyama, Takahiro Mori, Keiji Ono
  • 学会等名: ICDS 2017, 29th International Conference on Defects in Semiconductors
• [学会発表] Emerging Quantum Information Technologies (panelist of rump session) (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: SSDM2016
  • 発表場所: Tsukuba international conference center, Tsukuba, Japan
  • 年月日: 2016-09-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコントンネルトランジスタにおける深い準位を介した単一電子輸送とマイクロ波応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森山悟士、森貴洋、大野圭司
  • 学会等名: 日本物理学会2016年秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学角間キャンパス
  • 年月日: 2016-09-13
• [学会発表] Single charge and single spin effect in silicon CMOS devices (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Ono
  • 学会等名: Low-Dimensional Science workshop 2016
  • 発表場所: National Chung Hsing University, Taichung, Taiwan
  • 年月日: 2016-08-28
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 短チャネルトンネルトランジスタにおける結合量子ドット的電子輸送とマイクロ波応答 (2016)
  • 著者名/発表者名: 森山悟士, 森貴洋, 大野圭司
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都・目黒区）
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] TFETにおけるチャージポンピングとスピン効果 (2016)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司, 森貴洋, 森山悟士
  • 学会等名: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学大岡山キャンパス（東京都・目黒区）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] Quantum-dot devices in CMOS-compatible tunnel field-effect transistors (TFETs) (2016)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Moriyama, Takahiro Mori, Keiji Ono
  • 学会等名: Quantum-CMOS Integration Technology (QCIT) Workshop
  • 発表場所: Delft, Netherlands
• [学会発表] ON current boosting in Silicon-based Tunnel FETs Utilizing Isoelectronic Trap Technology (2015)
  • 著者名/発表者名: [6]T. Mori, Y. Morita, S. Migita, K. Hukuda, Q. Mizubayashi, T. Yasuda, M. Masahoku, T. Matsukawa, H. Ota, S. Moriyama, K. Ono, S. Iizuka, T. Nakayama
  • 学会等名: The 2015 International Workshop on “Dielectric Thin Films for Future Electron Devices (2015 IWDTF)
  • 発表場所: Miraikan（東京都・江東区）
  • 年月日: 2015-11-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] シリコンMOS素子における単一電子スピン効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大野圭司
  • 学会等名: 第76回応用物理学会秋期学術講演会シンポジウム量子情報へ向けたシリコンテクノロジーからの挑戦
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県・名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] Room-temperature single-electron transistor based on tunnel field-effect transistor (TFET) and deep level (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Ono, T. Mori, S. Moriyama
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop 2015
  • 発表場所: Kagawa international conference hall（香川県・高松市）
  • 年月日: 2015-08-04
  • 国際学会