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光子―スピン量子状態変換に基づく半導体スピン量子ビットの革新的量子中継技術の創製

研究課題

研究課題/領域番号 23H05458
研究種目

基盤研究(S)

配分区分補助金
審査区分 大区分D
研究機関大阪大学

研究代表者

大岩 顕  大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2023-04-12 – 2028-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
205,140千円 (直接経費: 157,800千円、間接経費: 47,340千円)
2025年度: 37,960千円 (直接経費: 29,200千円、間接経費: 8,760千円)
2024年度: 34,710千円 (直接経費: 26,700千円、間接経費: 8,010千円)
2023年度: 60,060千円 (直接経費: 46,200千円、間接経費: 13,860千円)
キーワード光子―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
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

大岩グループと岩本グループは、既に設計及び作製の実績を有するGaAs量子井戸基板に作製したブルズアイ共振器について、量子ドット作製プロセスの確立と量子ドット形成を試み、光子―スピン変換効率の原理実証に向けた基礎実験を進めた。
Ge量子ドットについて、大岩グループは歪量子井戸の移動度や有効質量などの評価とともに、量子ドットの設計・作製を進めた。都倉グループは、光子―スピン量子状態変換の理論検討の一環として、Ge結晶のΓ点近傍の伝導帯の電気的/磁気的特性をk・p摂動により解析を進めた。また光子偏光状態から正孔スピンへのコヒーレント転写過程でその忠実度に影響を与える電子のダイナミクスの特徴を抽出した。加えてGe正孔スピンの電気双極子スピン共鳴(EDSR)の理論構築を進めた。岩本グループは、Ge量子ドットの生成および電気伝導が可能なブルズアイ共振器の基礎設計を行った。また、ブルズアイ共振器構造で不可避な基板の影響を利用し、効率向上が可能であることを理論及び数値計算で示し学術論文として出版した。澤野グループは、分子線エピタキシーによる高品質歪みGe量子井戸構造の形成のために、下地となるSiGe歪み緩和バッファー層の形成技術を検討した。Si基板上にGeバッファー形成後、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を発見し、さらにパターニング手法によってそれを抑制できることを明らかにした。
木山グループは、ベル測定可能でブルズアイ共振器内への導入に適した量子ドットアレイ構造に関して、十字型5重量子ドットを考案し、さらに光励起された2個の電子スピンに対するベル測定手法を考案した。
大岩グループは、n型/p型直列2重量子ドットを含むアンドープ量子ドットを設計し作製した。しかし絶縁体を挟んだ金属ゲート間でリークがあり、動作の実証には至っていない。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

GaAsブルズアイ共振器における量子ドットの形成及び電気伝導性の測定は計画通りに進んでいる。今年度、ブルズアイ共振器中のゲート制御量子ドットの作製プロセスもおおむね確立できた。
Ge量子ドットはデバイス作製がほぼ完了しているが、動作確認は遅れている。またGe量子ドットでの光子―スピンコヒーレント転写の理論提案に向け、Γ点での電子スピンのg因子の計算についてもまだ先行研究結果の確認ができておらず当初予定より少し遅れている。コヒーレント転写の忠実度解析は予定通りであるが、並行して変換効率についても改めて考察が必要であることが明らかになった。EDSRの特性調査は順調に進んでいる。一方で、Geブルズアイ共振器の設計に関しては、量子ドット形成のためのチャネル(幅100 nm)及び電気伝導のためのチャネル(幅150 nm)を同時に有するGe/SiGe量子井戸スラブ型ブルズアイ共振器の基礎設計を完了できた。
結晶成長では、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ものの、新たな手法の適用によってそれらはほぼ解決できることが示され、今後の高品質歪みGe層形成に円滑に繋げられる基盤は整ったため、順調に進んでいる。
ベル測定用2次元量子ドットアレイについては作製用の装置の導入が当初計画より遅れてしまったため、デバイスの作製が遅れている。ブルズアイ共振器内への導入に適した量子ドットアレイ構造および光励起された2個の電子スピンに対するベル測定手法の検討に関しては、概ね計画通りに進んだ。
面内量子ドットLEDについては、n型/p型量子ドットの設計と作製を完遂するとすることができた。量子ドット形成はまだ達成できていないが、ほぼ順調である。
以上のように、いくつか遅れている項目があるものの、概ね順調に進展してる。

今後の研究の推進方策

大岩グループと岩本グループは、GaAs量子ドットを含むブルズアイ共振器を作製し、GaAsブルズアイ共振器を用いた光子―スピン変換効率向上の原理実証を行う。大岩グループは、Ge量子ドット動作と電荷検出を実現し、都倉グループが提案するコヒーレント転写の実証実験を推進する。また面内量子ドットLEDの作製方法を改善し、n型とp型量子ドットの形成と量子ドット領域からの発光検出を試みる。
都倉グループはGe量子井戸でのΓ点でのg因子解析は研究を加速させる。光子―正孔スピンの変換の忠実度と効率の結果については成果をまとめる。量子ドットアレイでの正孔のEDSRと交換相互作用を検討しベル測定の特性を評価する。Ge核スピンと正孔の相互作用の研究を開始する。
岩本グループはGeブルズアイ共振器に関しては、引き続き設計の最適化を行いさらなる性能向上を目指す。また澤野グループと共同してGe/SiGe量子井戸基板を用いたプロセス開発を行う。
澤野グループは、パターニング手法をより高精度化することで、高品質SiGe緩和バッファー層を完成させ、その上に歪みGe量子井戸構造を形成し、高移動度2次元正孔ガスを観測する。さらにこの構造の絶縁基板上への転写技術を開発し、Geブルズアイ共振器のために歪みGe-on-Insulator (GOI)の形成に向けた技術開発を進める。また、ブルズアイ共振器用のGOI形成も開始する。
木山グループは、2次元量子ドットアレイの作製を進め、電子数およびトンネル結合の制御手法を確立する。また昨年度考案した十字型5重量子ドットについて、光学特性を考慮した検討を進め、また電極構造の改善によって制御性の向上を図る。さらに同構造について、GaAs2次元電子基板を用いて試作を行う。

報告書

(3件)
  • 2023 研究概要(採択時) ( PDF )   審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (31件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 13件、 招待講演 3件) 備考 (5件)

  • [国際共同研究] Ruhr University Bochum(ドイツ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] National Research Council(カナダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [国際共同研究] TU Delft(オランダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Accelerated Adiabatic Passage of a Single Electron Spin Qubit in Quantum Dots2024

    • 著者名/発表者名
      Liu Xiao-Fei, Matsumoto Yuta, Fujita Takafumi, Ludwig Arne, Wieck Andreas D., Oiwa Akira
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 132 号: 2 ページ: 1-7

    • DOI

      10.1103/physrevlett.132.027002

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Enhancement of room temperature electroluminescence from strained SiGe/Ge(111) multiple quantum wells light emitting diodes2024

    • 著者名/発表者名
      Shuya Kikuoka, Rena Kanesawa, Michihiro Yamada, Kohei Hamaya, Kentarou Sawano
    • 雑誌名

      Materials Science in Semiconductor Processing

      巻: 176 ページ: 108299-108299

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2024.108299

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fabrication of crack-free strained SiGe/Ge multiple quantum wells on Ge-on-Si(111) by the patterning method2024

    • 著者名/発表者名
      R. Kanesawa, S. Kikuoka, Y. Shibahara, Y. Wagatsuma, M. Yamada, K. Hamaya and K. Sawano
    • 雑誌名

      Materials Science in Semiconductor Processing

      巻: 176 ページ: 108300-108300

    • DOI

      10.1016/j.mssp.2024.108300

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Numerical analysis of photon absorption of gate-defined quantum dots embedded in asymmetric bull’s-eye optical cavities2023

    • 著者名/発表者名
      S. Ji, S. Iwamoto
    • 雑誌名

      Optics Continuum

      巻: 2 号: 11 ページ: 2270-2279

    • DOI

      10.1364/optcon.492718

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 近・中赤外領域におけるSiマイクロリング共振器のQ値の波長依存性2024

    • 著者名/発表者名
      関 祥真
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 選択的イオン注入によるGe-on-Si(111)上歪みSiGeへのクラック発生の抑制2024

    • 著者名/発表者名
      長尾 優希
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 高移動度歪みGeチャネルに向けたSi(111)上SiGeバッファーの形成とクラック発生抑制2024

    • 著者名/発表者名
      澤野 憲太郎
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] パターニング手法によって形成した歪み SiGe 層内へのクラック発生に対する熱処理の影響2024

    • 著者名/発表者名
      澤野 憲太郎
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 半導体量子コンピュータ集積化に向けたスピン読み出し法の開発2024

    • 著者名/発表者名
      木山治樹
    • 学会等名
      九州大学量子ネイティブ育成研究シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Influence of illumination on two-dimensional electron gas and gate-defined quantum point contacts in a short-period-super-lattice-doped QW2023

    • 著者名/発表者名
      Akira Oiwa,T. Kanda, G. Fukuda, T. Fujita, A. Ludwig, and A. D. Wieck
    • 学会等名
      MRM2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] SiGe/Ge quantum dots as an interface for photon-to-electron-hole spin conversion2023

    • 著者名/発表者名
      Gabriel Gulak Maia,Akira Oiwa, and Kentaro Sawano
    • 学会等名
      MRM2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of bullseye resonator in a quantum dot composite structure2023

    • 著者名/発表者名
      Masato Tsuchiya, Takafumi Fujita, Akira Oiwa, Satoshi Iwamoto, Sangmin Ji
    • 学会等名
      The 12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (SpinCamp 12)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Forming quantum dots in an undoped lateral p-i-n junction2023

    • 著者名/発表者名
      Haruna Kazuma, Genki Fukuda, Takafumi Fujita, Akira Oiwa
    • 学会等名
      The 12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information (SpinCamp 12)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Semiconductor spin qubits for quantum networking2023

    • 著者名/発表者名
      Akira Oiwa
    • 学会等名
      Asia Pacific Physics Week 2023 (APPW2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The influence of light irradiation the transport properties of SiGe/Ge heterostructure devices2023

    • 著者名/発表者名
      Gabriel Gulak Maia,Akira Oiwa, and Kentaro Sawano
    • 学会等名
      1st International Workshop on Quantum Information Engineering (QIE2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of a germanium quantum dot device for photon-spin conversion2023

    • 著者名/発表者名
      J. Bauer, G. Maia, B. Sergl, K. Sawano, A. Oiwa
    • 学会等名
      The 27th SANKEN International Symposium
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Efficient spin-photon interfaces using semiconductors2023

    • 著者名/発表者名
      Sangmin Ji
    • 学会等名
      12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Fidelity of Heralded Conversion from Photon Polarization to Spin2023

    • 著者名/発表者名
      Yasuhiro Tokura
    • 学会等名
      22nd Int. Conf. Electron Dynamics in Semiconductors, Optoelectronics and Nanostructures (EDISON22)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Strain engineering of Si/Ge heterostructures based on Ge virtual substrates2023

    • 著者名/発表者名
      Kentarou Sawano
    • 学会等名
      E-MRS 2023 Spring Meeting
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of Si/Ge microbridges based on Ge-on-Si (110) and effect of bridge length2023

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Inoue
    • 学会等名
      The Joint ISTDM-ICSI 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Diode characteristics and room temperature EL emission of strained SiGe/Ge quantum well LEDs2023

    • 著者名/発表者名
      Shuya Kikuoka
    • 学会等名
      The Joint ISTDM-ICSI 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of crack free strained SiGe/Ge multiple quantum wells on Ge on Si(111) by the patterning method2023

    • 著者名/発表者名
      R. Kanesawa
    • 学会等名
      The Joint ISTDM-ICSI 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Scalable high-fidelity spin readout using the double-latching mechanism2023

    • 著者名/発表者名
      T. Morimoto, Y. Yokoyama, Y. Matsumoto, A. Oiwa, H. Kiyama
    • 学会等名
      The 12th Workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 大阪大学産業科学研究所 大岩研究室

    • URL

      https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/qse/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 筑波大学数理物質科学研究科 都倉研究室

    • URL

      https://www.u.tsukuba.ac.jp/~tokura.yasuhiro.ft/tokura/index-j.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 東京大学先端科学技術研究センター/生産技術研究所 岩本研究室

    • URL

      https://www.iwamoto.iis.u-tokyo.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 東京都市大学理工学部 澤野研究室

    • URL

      https://www.comm.tcu.ac.jp/nano_slabo/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 九州大学大学院システム情報科学研究院 木山研究室

    • URL

      https://qu.ed.kyushu-u.ac.jp/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2023-04-13   更新日: 2025-06-20  

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