高速量子プローブを用いた微小系の電子輸送ゆらぎの研究

• 研究領域: ゆらぎと構造の協奏：非平衡系における普遍法則の確立
• 研究課題/領域番号: 16H00817
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 大塚 朋廣 国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 客員研究員 (50588019)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円); 2017年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2016年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円)
• キーワード: 量子ドット / ミクロプローブ / ナノ・マイクロデバイス / マイクロ・ナノデバイス / メゾスコピック系 / 半導体物性 / 低温物性

研究実績の概要

本研究では、半導体微細構造を活用した微小系を用いて、微小系における電子輸送、ゆらぎ、ダイナミクスの測定、解明を行った。本年度は特に高速量子プローブを活用した微小系における局所電子状態のダイナミクス測定、量子微小系の局所電子状態測定を中心に実施した。
微小系における局所電子状態およびそのダイナミクスは、物性科学等の基礎科学やエレクトロニクスデバイス等の応用の両面から重要となっている。この微小系における局所電子状態について、高速量子プローブを使って引き続き測定し、またその結果の解析を行った。半導体量子ドットからなる開放微小系について、局所電子状態の測定を実施したところ、局所電子状態が電極との結合に依存してマイクロ秒程度の時間スケールで変化する様子を観測した。さらに半導体量子ドット中の局所電子状態の時間変化の詳細を調べたところ、トンネルの低次の過程と、高次の過程による電子状態変化をミクロな観点から解明することができた。
また高速量子プローブで開発してきた測定手法は、古典微小系だけでなく量子現象が発現する量子微小系に対しても適用可能である。量子微小系は量子エレクトロニクス、量子情報処理等に向けて近年、注目を集めており、本研究では高速量子プローブの技術を活用して量子微小系における局所電子状態測定を行った。この結果、量子ドット内状態の高精度操作、多重量子ドットにおける電子状態操作の実現等に貢献した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ルール大学ボーフム(ドイツ)
• [国際共同研究] バーゼル大学(スイス)
• [国際共同研究] ルール大学ボーフム(ドイツ)
• [国際共同研究] バーゼル大学(スイス)
• [雑誌論文] A quantum-dot spin qubit with coherence limited by charge noise and fidelity higher than 99.9% (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Nature Nanotechnology 巻: 13 号: 2 ページ: 102-106
  • DOI: 10.1038/s41565-017-0014-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A triangular triple quantum dot with tunable tunnel couplings (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A、Kawasaki K、Otsuka T、Nakajima T、Yoneda J、Amaha S、Delbecq M R、Takeda K、Allison G、Ludwig A、Wieck A D、Tarucha S
  • 雑誌名: Semiconductor Science and Technology 巻: 32 号: 8 ページ: 084004-084004
  • DOI: 10.1088/1361-6641/aa7596
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Robust Single-Shot Spin Measurement with 99.5% Fidelity in a Quantum Dot Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Otsuka Tomohiro、Stano Peter、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Noiri Akito、Kawasaki Kento、Takeda Kenta、Allison Giles、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Loss Daniel、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 119 号: 1 ページ: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.119.017701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Higher-order spin and charge dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Stano Peter、Noiri Akito、Ito Takumi、Loss Daniel、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 7 号: 1 ページ: 1-7
  • DOI: 10.1038/s41598-017-12217-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Cotunneling spin blockade observed in a three-terminal triple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Noiri A.、Takakura T.、Obata T.、Otsuka T.、Nakajima T.、Yoneda J.、Tarucha S.
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 96 号: 15 ページ: 155414-155414
  • DOI: 10.1103/physrevb.96.155414
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A fault-tolerant addressable spin qubit in a natural silicon quantum dot (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Takeda, J. Kamioka, T. Otsuka, J. Yoneda, T. Nakajima, M. R. Delbecq, S. Amaha, G. Allison, T. Kodera, S. Oda, S. Tarucha
  • 雑誌名: Science Advanced 巻: 2 号: 8 ページ: 694-694
  • DOI: 10.1126/sciadv.1600694
  • 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] Single-electron Spin Resonance in a Quadruple Quantum Dot (2016)
  • 著者名/発表者名: Otsuka Tomohiro、Nakajima Takashi、Delbecq Matthieu R.、Amaha Shinichi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Ito Takumi、Sugawara Retsu、Noiri Akito、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 31820-31820
  • DOI: 10.1038/srep31820
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Detection and control of charge states in a quintuple quantum dot (2016)
  • 著者名/発表者名: Ito Takumi、Otsuka Tomohiro、Amaha Shinichi、Delbecq Matthieu R.、Nakajima Takashi、Yoneda Jun、Takeda Kenta、Allison Giles、Noiri Akito、Kawasaki Kento、Tarucha Seigo
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 号: 1 ページ: 39113-39113
  • DOI: 10.1038/srep39113
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Dynamics of an open quantum system based on gated GaAs quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Sen Li, Tomohiro Otsuka, Giles Allison, Akito Noiri, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Different charge and spin dynamics in a quantum dot-lead coupled system (2018)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A 99.9%-fidelity spin qubit in isotopically purified silicon with charge-noise-limited coherence (2018)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] A two-qubit entangling gate between spin qubits of different kinds (2018)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Difference in charge and spin dynamics in a quantum dot-lead hybrid system (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum non-demolition readout of a single spin in a quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Kento Kawasaki, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Enhancing coherence of a single electron spin with adaptive control (2017)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Kento Kawasaki, Akito Noiri, Jun Yoneda, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Four single-spin rabi oscillations in a quadruple quantum dot (2017)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Microwave induced frequency shift and its quadrature compensation for Si/SiGe spin qubits (2017)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Jun Kamioka, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] Charge-noise-limited coherence and three-nines fidelity of an enriched Si/SiGe spin qubit (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Workshop on Silicon Quantum Electronics
  • 国際学会
• [学会発表] A controlled-phase gate between spin qubits of different kinds (2017)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Shinichi Amaha, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Daniel Loss, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] An isotopically-enriched silicon spin qubit with >99.9% fidelity and charge-noise-limited coherence (2017)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference and Workshop on Spin-Based Quantum Information Processing
  • 国際学会
• [学会発表] Probing Dynamics of Local Electronic States in Nanostructures Utilizing Fast Quantum Dot Probes (2017)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Peter Stano, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium
  • 国際学会
• [学会発表] Multiplexed reflectometry measurement of a gate-defined Si-MOS quantum dot (2016)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Takumu Honda, Kenta Takeda, Marian Marx, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinich Amaha, Giles Allison, Tetsuo Kodera, Syunri Oda, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of charge states in Si/SiGe multiple quantum dots (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Jun Yoneda, Takumu Honda, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Marian Marx, Takashi Nakajima, Tetsuo Kodera, Syunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] AC Stark effect and optimal control of a strongly driven Si/SiGe quantum dot spin qubit (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Kamioka, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takashi Nakajima, Tetsuo Kodera, Syunri Oda, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Silicon Quantum Electronics Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum dephasing of spin qubits due to nonergodic noise (2016)
  • 著者名/発表者名: Matthieu R. Delbecq, Takashi Nakajima, Peter Stano, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on The Physics of Semiconductors
  • 国際学会
• [学会発表] Tunneling induced spin relaxation in a quantum dot-lead coupled system (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on The Physics of Semiconductors
  • 国際学会
• [学会発表] Detection and control of charge states of a quintuple quantum dot in a scalable multiple quantum dot architecture (2016)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Matthieu R. Delbecq, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Akito Noiri, Kento Kawasaki, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on The Physics of Semiconductors
  • 国際学会
• [学会発表] Three single spin qubits in a triple quantum dot (2016)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Matthieu R. Delbecq, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Giles Allison, Shinichi Amaha, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International Conference on Physics and Applications of Spin-Related Phenomena in Solids
  • 国際学会
• [学会発表] Measurement of charge states in multiple quantum dots utilizing multiplexed fast charge sensors (2016)
  • 著者名/発表者名: Takumi Ito, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, Matthieu R. Delbecq, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Akito Noiri, Takashi Nakajima, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Hybrid cQED architecture as a model system for non-equilibrium physics in condensed matter (2016)
  • 著者名/発表者名: Marian Marx, Giles Allison, Matthieu R. Delbecq, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Shinichi Amaha, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Measuring the time dependence of a Rabi oscillation of an electron spin in a semiconductor quantum dot (2016)
  • 著者名/発表者名: Akito Noiri, Takashi Nakajima, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Kenta Takeda, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Kento Kawasaki, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] High-Fidelity Readout of Two-Spin Correlations Using a Metastable Charge State in Triple Quantum Dots (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Tomohiro Otsuka, Peter Stano, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Akito Noiri, Kento Kawasaki, Kenta Takeda, Giles Allison, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Centre resonance frequency shift of a strongly driven spin qubit (2016)
  • 著者名/発表者名: Kenta Takeda, Jun Kamioka, Jun Yoneda, Tomohiro Otsuka, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takashi Nakajima, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] High-fidelity spin control in an enriched Si/SiGe quantum dot with a micromagnet (2016)
  • 著者名/発表者名: Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Giles Allison, Takumu Honda, Tetsuo Kodera, Shunri Oda, Yusuke Hoshi, Noritaka Usami, Kohei M. Itoh, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Lowering electron temperature for measurement of spin relaxation in quantum dots (2016)
  • 著者名/発表者名: Giles Allison, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinich Amaha, Akito Noiri, Takumi Ito, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] Charge and spin dynamics in a quantum dot‐lead coupled system (2016)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Otsuka, Takashi Nakajima, Matthieu R. Delbecq, Shinichi Amaha, Jun Yoneda, Kenta Takeda, Giles Allison, Peter Stano, Akito Noiri, Takumi Ito, Daniel Loss, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, and Seigo Tarucha
  • 学会等名: International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
  • 国際学会
• [備考] 研究成果報告用個人ページ
  • URL: http://ja.tomootsuka.net