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2011 年度 実績報告書

シリコン中のエンタングルメント及び量子ホログラフィックメモリー動作に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 22241024
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

伊藤 公平  慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30276414)

キーワード量子情報 / 半導体
研究概要

シリコン量子情報処理に関する物性・量子物理学研究を実施する。まず、安定同位体純度を99.999%以上に高めた28Si単結晶を作製し、同位体起因の質量・核スピンの空間的不均一分布が徹底的に排除された疑似真空状態を実現する。そこにリンまたはビスマス不純物を系統的に添加し、1)電子および核スピンデコヒーレンスの機構解明と抑制方法の開発、2)電子・核スピンの高純度エンタングルメント生成、3)スピン集合体に位相情報を読み込ませる量子ホログラフィックメモリーの開発、4)超伝導量子ビットとシリコン不純物量子ビット間のエンタングルメント生成に関する実験を行う。主要実験手法はパルス電子磁気共鳴、パルス電子磁気二重共鳴(ENDOR)、フォトルミネッセンス励起分光(PLE)である。
平成23年度は、特に安定同位体純度を99.999%以上に高めた28Si単結晶にリン(P)ドナーを添加し、その電子スピンと核スピンのコヒーレンスが極めて長い時間(10K以下の低温において電子スピン1秒以上、核スピン2秒以上)保たれることを示し、Nature Materials誌に論文として発表した。また、天然の同位体組成を有するシリコン結晶にPドナーと酸素-空孔スピン三重項欠陥(SL1)を添加し、リン電子スピンとSL1の間でのスピン相互作用を用いたフリップフロップの観測に成功しPhysical Review B誌に論文を発表した。さらにはSL1の電子スピンと近隣の29Si核スピンの間で量子情報の交換に成功し、29Si核スピンを量子メモリーとして利用できることを初めて示すことに成功し、その成果をPhysical Review Letters誌に発表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

今年度の成果であるSL1を用いた量子操作は計画段階では気づいていなかったアイデアであったが、研究の進展に従い自然発生し、その成果がPhysical Review LettersおよびPhysical Review B誌という物理学分野で最も影響力の強い論文誌に掲載されるまで進展した。

今後の研究の推進方策

当初の計画どおり、シリコン中のビスマスドナーを量子ビットとして利用する研究を続けていて、現在は量子ビット操作で重要となる低磁場(60mT以下)での量子操作と量子状態の測定にも成功して、論文を執筆中である。今後もビスマスと超伝導の結合という当初の計画を進めていく。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件) 学会発表 (15件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Electron Spin Coherence Exceeding Seconds in High Purity Silicon2012

    • 著者名/発表者名
      A. M. Tyryshkin, S. Tojo, J. J. L. Morton, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, H.-J. Pohl, T. Schenkel, M. L. W. Thewalt, K. M. Itoh, and S. A. Lyon
    • 雑誌名

      Nature Materials

      巻: 11 ページ: 143-147

    • DOI

      10.1038/NMAT3182

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coherent Storage of Photoexcited Triplet States Using ^<29>Si Nuclear Spins in Silicon2012

    • 著者名/発表者名
      W.Akhtar
    • 雑誌名

      Phys.Rev.Lett.

      巻: 108 ページ: 097601

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Monte Carlo Simulation of Silicon Atomic Displacement and Amorphization Induced by Ion Implantation2011

    • 著者名/発表者名
      L.J.Garcia
    • 雑誌名

      J.Appl.Phys.

      巻: 109 ページ: 123507

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electrical Detection of Cross Relaxation between Electron Spins of Phosphorus and Oxygen-Vacancy Centers in Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      W.Akhtar
    • 雑誌名

      Phys.Rev.B

      巻: 84 ページ: 045204

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Correlation of residual impurity concentration and acceptor electron Paramagnetic resonance linewidth in isotopically engineered Si2011

    • 著者名/発表者名
      A.R.Stegner
    • 雑誌名

      Appl.Phys.Lett.

      巻: 99 ページ: 032101

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-Diffusion in Compressively Strained Ge2011

    • 著者名/発表者名
      Y.Kawamura
    • 雑誌名

      J.Appl.Phys.

      巻: 110 ページ: 034906

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical Properties of Triplet States of Excitons Bound to Interstitial-Carbon Interstitial-Oxygen Defects in Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      T.Ishikawa
    • 雑誌名

      Phys.Rev.B

      巻: 84 ページ: 115204

    • 査読あり
  • [学会発表] Quantum Computing Using Phosphorus Electron Spins, ^<31>P Nuclear Spins, and ^<29>Si Nuclear Spins in Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      K.M.Itoh
    • 学会等名
      The 5^<th> International Workshop on Solid-state Quantum Computing
    • 発表場所
      Hong Kong(招待講演)
    • 年月日
      2011-12-12
  • [学会発表] Single NV Centers in Isotopically Controlled Diamond Films2011

    • 著者名/発表者名
      K.M.Itoh
    • 学会等名
      22nd European Conference on Diamond, Diamond-Like Materials, Carbon Nanotubes, and Nitrides
    • 発表場所
      Bavaria, Germany(招待講演)
    • 年月日
      2011-09-05
  • [学会発表] Nitrogen-vacancy centers in an isotopically controlled ^<12>C diamond layer2011

    • 著者名/発表者名
      T.Ishikawa
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-05
  • [学会発表] Detection of paramagnetic recombination centers in ^<28>Si enriched silicon2011

    • 著者名/発表者名
      T.Matsuoka
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-05
  • [学会発表] Computation of deformation potential constants of strained Ge for evaluation of hole spin relaxation time2011

    • 著者名/発表者名
      T.Tanaka
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-05
  • [学会発表] Towards the realization of electron spins confined in nuclear spin free Si/SiGe quantum dots2011

    • 著者名/発表者名
      I.Arikawa
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-05
  • [学会発表] Electrically Detected Magnetic Resonance Spectroscopy of Arsenic Doped Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      E.Sato
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-03
  • [学会発表] EPR study of Bismuth-Implanted Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      P.A.Mortemousque
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-03
  • [学会発表] Suppression of P Donor Electron Spin Decoherence in ^<28>Si by Using SIFTER Pulse Sequence2011

    • 著者名/発表者名
      E.Kawakami
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-03
  • [学会発表] Spin kinetics and coherence property of photoexcited triplets in silicon2011

    • 著者名/発表者名
      W.Akhtar
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spiritronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-03
  • [学会発表] Host isotope effect on the ENDOR spectra of 31P donor in silicon2011

    • 著者名/発表者名
      T.Sekiguchi
    • 学会等名
      6^<th> International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology
    • 発表場所
      くにびきメッセ(島根県)
    • 年月日
      2011-08-03
  • [学会発表] Temperature Dependence of Two-Dimensional Hole Gas Mobility in a Strained Ge Quantum Well2011

    • 著者名/発表者名
      T.Tanaka
    • 学会等名
      15th conference on Modulated Semiconductor Structures
    • 発表場所
      Tallahassee, Florida, USA
    • 年月日
      2011-07-27
  • [学会発表] Characterization of Phosphorus Donors in Silicon with Low Magnetic Field2011

    • 著者名/発表者名
      H.Morishita
    • 学会等名
      The 53rd Annual Rocky Mountain Conference on Analytical Chemistry
    • 発表場所
      Snowmass, Colorado, USA
    • 年月日
      2011-07-25
  • [学会発表] Single Atom Calculation in Silicon2011

    • 著者名/発表者名
      K.M.Itoh
    • 学会等名
      The 2011 International Meeting for Future of Electron Devices, Kansai
    • 発表場所
      関西大学(大阪府)(招待講演)
    • 年月日
      2011-05-19
  • [学会発表] Self-Assembled Si and Ge Nanostructures on Atomic Straight Si Steps2011

    • 著者名/発表者名
      T.Sekiguchi
    • 学会等名
      The 2011 Villa Conference on Interaction Among Nanostructures
    • 発表場所
      Las Vegas, USA(招待講演)
    • 年月日
      2011-04-22
  • [備考]

    • URL

      http://www.appi.keio.ac.jp/Itoh_group/publications/

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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