半導体電子スピン系量子コンピュータの要素技術の開発

固体素子量子コンピュータのうち、ビットの選択や論理ゲートの方式が提案されている半導体中のドナーを対象に、母結晶やドナーの種類を変えて、位相記憶時間(T_M)・スピン格子緩和時間(T_1)の温度依存性・ドナー濃度依存性・同種体組成依存性から、コヒーレンス持続時間を決める機構を明らかにした。電子スピンを用いる量子コンピュータで必要とされる〜100μsを超えるT_Mを、より高い温度領域で得るには、バレー・軌道相互作用による励起状態のOrbach過程によるスピン格子緩和がより高い温度領域で凍結することと、核スピンを持つ同位体の存在比が低い元素からなる半導体結晶の選択により核スピンのフリップ・フロップによる位相緩和を抑えることが重要であることが明らかになった。新しいドナーとして、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC中のシリコンを置換した燐ドナー及びダイヤモンド中の燐ドナーのESRスペクトルを見出したが、バレー・軌道相互作用による励起状態が近接するために、4H-SiC、6H-SiC中の窒素ドナーのような高い温度領域での長いT_Mは得られなかった。ドナーを量子ビットに用いる提案は、ゲートに加える電圧により、ドナー電子の共鳴周波数を変化させることによりビットを選択すること、および、2つのドナーの電子雲のオーバーラップのON/OFF(交換相互作用のON/OFF)により論理ゲートが構成できることに基づいている。シリコン中の燐ドナーについて、電場印加による超微細相互作用の変化の実証を試みた。10kV/cmを超える電界を加えたが、線幅を越える^<31>P超微細相互分裂の大きさの変化は検出されなかった。アンサンブル系ESR量子コンピュータの2ビット論理ゲートのデモンストレーションに向けたパルス技術の問題点の洗い出しと現状の技術に見合う試料の選択を行った。

固体素子量子コンピュータのうち、ビットの選択や論理ゲートの方式が提案されている半導体中のドナーを対象に、母結晶やドナーの種類を変えて、位相記憶時間(T_M)・スピン格子緩和時間(T_1)の温度依存性・ドナー濃度依存性・同種体組成依存性から、コヒーレンス持続時間を決める機構を明らかにした。電子スピンを用いる量子コンピュータで必要とされる〜100μsを超えるT_Mを、より高い温度領域で得るには、バレー・軌道相互作用による励起状態のOrbach過程によるスピン格子緩和がより高い温度領域で凍結することと、核スピンを持つ同位体の存在比が低い元素からなる半導体結晶の選択により核スピンのフリップ・フロップによる位相緩和を抑えることが重要であることが明らかになった。新しいドナーとして、3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC中のシリコンを置換した燐ドナー及びダイヤモンド中の燐ドナーのESRスペクトルを見出したが、バレー・軌道相互作用による励起状態が近接するために、4H-SiC、6H-SiC中の窒素ドナーのような高い温度領域での長いT_Mは得られなかった。ドナーを量子ビットに用いる提案は、ゲートに加える電圧により、ドナー電子の共鳴周波数を変化させることによりビットを選択すること、および、2つのドナーの電子雲のオーバーラップのON/OFF(交換相互作用のON/OFF)により論理ゲートが構成できることに基づいている。シリコン中の燐ドナーについて、電場印加による超微細相互作用の変化の実証を試みた。10kV/cmを超える電界を加えたが、線幅を越える^<31>P超微細相互分裂の大きさの変化は検出されなかった。アンサンブル系ESR量子コンピュータの2ビット論理ゲートのデモンストレーションに向けたパルス技術の問題点の洗い出しと現状の技術に見合う試料の選択を行った。