2005年度 伊藤研究室

構成

助教授

伊藤公平

訪問研究員

関口武治、Oussama Moutanabbir

大学院

阿部英介(D3)、清水康雄(M2)、鶴見大輔(M2)、吉田俊治(M2)、相良暁彦(M1)、宮本 聡(M1)、毛利友隆(M1)

学部

郡司まり香(B4)、志連陽平(B4)、高橋俊岳(B4)、田渕祥之(B4)、林 宏(B4)、森下弘樹(B4)

概要

量子コンピュータに関する研究

計算機科学

本研究室が着目する29Si量子ビットでは,位相緩和時間が25秒と量子システムとして測定された世界最長のコヒーレンスを得ることに成功した.25秒という極めて長い位相緩和時間中には,最も難しいとされる2量子ビット演算でさえ1万回以上実行可能であることを理論的に示した.我々の見積もりでは25秒は実験的限界ではなく,さらに伸ばせると考えている.すなわち,29Si核スピン量子ビットは多くの演算回数を要する量子アルゴリズムの実行に適していることがわかった.一方,29Si核スピン量子ビットでは1回の演算に要する時間が比較的長い(端的にはクロックスピードが10kHz程度と低い)こともわかった.これはGHzで動作する超伝導量子ビットより数桁遅く,結果として演算処理速度において不利なことが予想される.そこでショアの素因数分解アルゴリズムを例として計算機科学的な考察を行った結果,超伝導はクロックスピードは速いが,位相緩和時間が短すぎること.そして,全シリコン量子コンピュータはクロックスピードはやや遅いが,位相緩和時間が充分に長いことがあきらかになった.さらなる解析の結論は,超伝導はCPU,シリコン量子コンピュータはメモリーといった適材適所の役割分担を負わせることの必要性である.超伝導量子ビットがすばやく計算している途中,時間切れで情報を失わないうちにメモリーであるシリコン量子ビットに量子情報を移動するのである.メモリーといっても,量子コンピュータにおけるメモリーも,やはり量子コンピュータである必要がある.シリコン量子メモリーは,格納された量子情報を永遠に保持するために,エラー訂正という量子計算をひたすら続ける必要がある.その計算には膨大な演算回数が必要なため,シリコン量子コンピュータでしか対応できない.このような側面をスピン物性と計算機科学の両側面から解析できたことが16年度までの成果であったが,17年度には,エラー訂正などのアルゴリズムを含めた全シリコン量子コンピュータの性能予測を理論的に実施し,全シリコン量子コンピュータの実現が現実的であることを計算機科学的に示した.

デバイス作製

分子線エピタキシー(MBE)装置を用いて,平成16年度までに開発した核スピン量子ビットを一列に並べる技術をさらに進めて,実際の量子計算機として応用するために必要なナノ29Si量子ビット構造の作製に成功した.

初期化

同位体純度の高い28Si高純度単結晶中において,31P核スピンの初期化を束縛エキシトンおよび光電気伝導によって達成する新しい手法の開発に成功した.また,Si中のキャリアスピンと核スピンのダイナミクスに関しても量子制御にむけて有益な物理的な知見を得ることに成功した.

演算

核スピンのスピンメモリー時間を伸ばすための量子操作が重要であり,16年度までにメモリー時間を25秒まで伸ばすことに成功した.17年度は,量子演算用のパルスとスピンメモリー増加のためのパルスを併用することの現実性を評価した.ここでは,パルス列を効率的に照射するためのコンピュータプログラミングといった工学的課題に取り組んだ.

読み取り

同位体純度の高い28Si高純度単結晶中において,31P核スピンの読み出しを束縛エキシトンおよび光電気伝導によって実現する新しい手法の開発に成功した.現在はアンサンブル測定であるため,これを単一核スピン読み出しにつなげる方法を検討している.

学位論文

博士論文

  • 阿部英介:Pulsed Electron Spin Resonance in Phosphorus Doped Isotopically Controlled Silicon

修士論文

  • 清水康雄:ラマン分光法によるシリコン同位体超格子中のシリコン自己拡散に関する研究
  • 鶴見大輔:シリコン中の酸素ダイマー局在振動における母体同位体効果
  • 吉田俊治:Si(111)ステップ端におけるGeナノ構造の研究

学士論文

  • 郡司まり香:熱酸化過程におけるシリコン酸化膜中の酸素拡散
  • 志連陽平:Si(111)7×7表面における通電加熱によるステップ形状の経時変化
  • 高橋俊岳:Growth and Characterization of Hafnium Silicate Films Deposited on Si Substrate
  • 田渕祥之:温度制御が自己形成Ge量子ドットの形状と密度に及ぼす影響
  • 林 宏:赤外分光法によるⅢ-V族半導体中のMn不純物評価
  • 森下弘樹:高感度フォトルミネッセンス装置の構築

進路

東芝、松下電器、東京大学物性研究所、東京大学大学院、MIT大学院

国際会議講演

  •  K. M. Itoh, “Silicon Quantum Computers,” Japan-America Frontiers of Engineering Symposium, November 2-5, 2005, San Jose, USA (招待講演)
  •  K. M. Itoh, “Self-Assembly of Prallel Atomic Wires and Periodic Nano-Dots of Silicon and Germanium on a Vicinal Silicon (111) Surface,” MRS Fall Meeting, Nov. 27- Dec. 2, 2005, Boston, USA (with T. Sekiguchi and S. Yoshida)(招待講演)
  •  K. M. Itoh, “Control of Nuclear Spins,” Lecturer at The 3rd International Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (Spintech III), August 1-5, 2005, Hyogo, Japan. (招待講演)
  •  S. Hosoi, K. Nakajima, M. Suzuki, K. Kimura, Y. Shimizu1, S. Fukatsu, K. M. Itoh, M. Uematsu, H. Kageshima, and K. Shiraishi, “Oxidation of Si(001) studied by high-resolution RBS in combination with stable isotope tracing,” The 17th International Conference on Ion-Surface Interactions (ISI-2005), Zvenigorod, August, 2005.(招待講演)
  •  A. Yang, H. J. Lian, and M. L. W. Thewalt, M. Uemura, A. Sagara, K. M. Itoh, E. E. Haller, and S. A. Lyon, “Isotopic mass dependence of the lattice parameter in silicon determined by measurement of strain-induced splitting of impurity bound exciton transitions,” The 23rd Intl. Conf. on Defects in Semiconductors, Awaji Island, Hyogo, Japan, July 24-29, 2005.
  •  Y. Shimizu and K. M. Itoh, “Low temperature self-diffusion of silicon determined by Raman scattering of Si isotope superlattices,” The 23rd Intl. Conf. on Defects in Semiconductors, Awaji Island, Hyogo, Japan, July 24-29, 2005.
  •  M. Tsuchiya, M. Uematsu and K. M. Itoh, “Effect of silicon nitride capping layers on phosphorus diffusion in thermally formed SiO_2,” The 23rd Intl. Conf. on Defects in Semiconductors, Awaji Island, Hyogo, Japan, July 24-29, 2005.
  •  D. Tsurumi, K. M. Itoh and H. Yamada-Kaneta, “Host isotope effect on the localized vibrational modes of oxygen dimers in isotopically enriched silicon,” The 23rd Intl. Conf. on Defects in Semiconductors, Awaji Island, Hyogo, Japan, July 24-29, 2005.
  •  K. M. Itoh, “Silicon Nuclear-Spin Quantum Computer,” 2005 Silicon Nanoelectronics Workshop, June 12-13, 2005, Kyoto, Japan.(招待講演)
  •  M. Uematsu, H. Kageshima, S. Fukatsu, K. M. Itoh, and K. Shiraishi, “Enhanced Si and B Diffusion in Semiconductor-Grade SiO2 and the Effect of Strain on Diffusion,” The Fourth International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-4), Hyogo, May, 2005.(招待講演)
  •  K. M. Itoh, S. Yoshida, and T. Sekiguchi, “Si Atomic Wire Growth for Quantum Information Processing,” The Fourth International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-4), Hyogo, May, 2005.
  •  Y. Shimizu and K. M. Itoh, “Growth and Characterization of Short-Period Silicon Isotope Superlattices,” The Fourth International Conference on Silicon Epitaxy and Heterostructures (ICSI-4), Hyogo, May, 2005.

国内会議講演

  •  吉田俊治,関口武治,伊藤公平「Si(111)ステップ構造を利用したGeナノ構造制御」,春季第53回応用物理学関係連合講演会,2006年3月22日-26日,武蔵工業大学
  •  清水康雄,伊藤公平,奥井登志子,白木靖寛,高野明雄「シリコン同位体超格子を用いた砒素注入時のミキシングのSIMSによる評価」,春季第53回応用物理学関係連合講演会,2006年3月22日-26日,武蔵工業大学
  •  植松真司, 郡司まり香,土谷大,伊藤公平「Si 熱酸化中の界面近傍における酸素ミキシングの促進」,春季第53回応用物理学関係連合講演会,2006年3月22日-26日,武蔵工業大学
  •  小山岳秀,本山岳,中村裕之,小原孝夫,小田祺景,松田和之,小堀洋,伊藤公平「URu2Si2 の圧力下29Si-NMR」,日本物理学会2005年秋季大会,2005年9月19-22日,同志社大学京田辺キャンパス
  •  伊藤公平「核スピンシリコン量子コンピュータ」,東工大イノベーション研究推進体量子情報処理デバイス研究会,東京工業大学,2005年5月30日(招待講演)
  •  伊藤公平「ナノSiテクノロジー」,IEEE EDS Japan Chapter・電気学会共催「来るべきナノCMOS時代に向けての挑戦とその課題シンポジウム」,早稲田大学,2005年4月27日・28日(招待講演)

論文発表

  •  R. N. Pereira, B. B. Nielsen, J. Coutinho, V. J. B. Torres, R. Jones, T. Ohya, K. M. Itoh, and P. R. Briddon, “Anharmonicity and Lattice Coupling of Bond-Centered Hydrogen and Interstitial Oxygen Defects in Monoisotopic Silicon Crystals,” Phys. Rev. B 72, 115212 (2005).
  •  T. Ohya, K. M. Itho, R. N. Pereira, and B. B. Nielsen, “Host Isotope Effect on the Local Vibration Modes of VH2 and VOH2 Defects in Isotopically Enriched 28Si, 29Si and 30Si Single Crystals,” Jpn. J. Appl. Phys. 44, No.10 (2005).
  •  Y. Kitaoka, H. Kotegawa, A. Harada, S. Kawasaki, Y. Kawasaki, Y. Haga, E. Yamamoto, Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller, and H. Harima, “Novel Phase Diagram of Superconductivity and Ferromagnetism in UGe2: a 73Ge-NQR Study under High Pressure,” J. Phys.: Condens. Matter 17, 975?S986 (2005).
  •  T. Sekiguchi, S. Yoshida, and K. M. Itoh, “Self-assembly of Parallel Atomic Wires and Periodic Clusters of Silicon on a Vicinal Si(111) Surface,” Phys. Rev. Lett. 95, 106101 (2005).
  •  S. Yoshida, T. Sekiguchi, and K. M. Itoh, “Atomically Straight Steps on Vicinal Si(111) Surfaces Prepared by Step-parallel Current in the Kink-up Direction,” Appl. Phys. Lett. 87, 031903 (2005).
  •  A. S. Verhulst, I. G. Rau, Y. Yamamoto, and K. M. Itoh, “Optical Pumping of 29Si Nuclear Spins in Bulk Silicon at High Magnetic Field and Liquid Helium Temperature,” Phys. Rev. B 71, 235206 (2005).
  •  G. Davies, S. Hayama, S. Hao, J. Coutinho,S. K. Estreicher, M. Sanati, and K. M. Itoh, “Lattice Isotope Effects on the Widths of Optical Transitions in Silicon,” J. Phys.: Condens. Matter 17, S2211-2217 (2005).
  •  D. F. Wang, A. Takahashi, Y. Matsumoto, K. M. Itoh, Y. Yamamoto, T. Ono, and M. Esashi, “Magnetic Mesa Structures Fabricated by Reactive Ion Etching with CO/NH3/Xe Plasma Chemistry for an All-Silicon Quantum Computer,” Nanotechnology, 16, 990-994 (2005).
  •  R. Van Meter, and K. M. Itoh,“Fast quantum modular exponentiation,” Phys. Rev. A 71, 052320 (2005).
  •  深津茂人,伊藤公平,植松真司,藤原聡,影島博之,高橋庸夫,白石賢二,「SiO2中の拡散に与えるSi/SiO2界面の影響」,表面科学Vol.26,No.5,249-254(2005).
  •  E. Abe, J. Isoya, and K. M. Itoh, “Electron Spin Coherence of Phosphorus Donors in Isotopically Purified 29Si,” Journal of Superconductivity 18, 157 (2005).
  •  Gordon Davies, S. Hayama, Shiqiang Hao, B. Bech Nielsen, J. Coutinho, M.Sanati, S. K. Estreicher, and K. M. Itoh, “Host isotope effects on midinfrared optical transitions in silicon,” Phys. Rev. B 71, 115212 (2005).
  •  A. Harada, S. Kawasaki, H. Kotegawa, Y. Kitaoka, Y. Haga, E. Yamamoto,Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller, and H. Harima, “Cooperative Phenomenon of Ferromagnetism and UnconventionalSuperconductivity in UGe2: A 73Ge-NQR Study under Pressure,” J. Phys. Soc. Japan 74, No. 10, 2675-2678 (2005).
  •  K. M. Itoh, “An All-Silicon Linear Chain NMR Quantum Computer,” Solid State Commun. 133, 747-752 (2005).
  •  H. Kotegawa, A. Harada, S. Kawasaki, Y. Kawasaki, Y. Kitaoka, Y. Haga, E. Yamamoto, Y. Onuki, K. M. Itoh, E. E. Haller and H. Harima, “Evidence for Uniform Coexistence of Ferromagnetism and Unconventional Superconductivity in UGe2: A 73Ge-NQR Study under Pressure,”J. Phys. Soc. Jpn 74, 705-711 (2005).
  •  A. Harada, H. Kotegawa, S. Kawasaki, Y. Kawasaki, G.-q.Zheng, Y. Kitaoka, E. Yamamoto, Y. Haga, Y. Onuki, K. Itoh, E. E. Haller, “Evidence for the Microscopic Coexistence of Superconductivity and Ferromagnetism in UGe2:73Ge-NMR/NQR Study,” Physica B 359-361, 1057-1059 (2005).
  •  伊藤公平,「スピンを使った量子計算」,日本学術振興会学術月報,Vol. 58, No. 4, 291-295 (2005).
  •  M. Uematsu, H. Kageshima, Y. Takahashi, S. Fukatsu, K. M. Itoh, and K. Shiraishi, “Simulation of Correlated Diffusion of Si and B in Thermally Grown SiO2,” J. Appl. Phys. 96, No. 10, 5513-5519 (2004).

受賞

  • 阿部英介(D3) 藤原賞

研究助成

  •  科学技術振興事業団 戦略的創造研究「全シリコン量子コンピュータの実現」
  •  文部科学省 研究費補助金 特定領域研究「スピントロニクス量子操作研究調整班」
  •  文部科学省 研究費補助金 特定領域研究「核スピンおよび電子スピン量子ビットの作製と量子操作の実現」
  •  日本学術振興会 研究費補助金 基板研究(B)「次世代ゲート絶縁膜における不純物とシリコンの相互拡散」
  •  文部科学省 研究費補助金 特別研究員奨励費「ナノテンプレートSi基板上のGe量子ドット形成に関する実験及び理論的研究」

Dept. Applied Physics and Physico-Informatics