構成

助教授

伊藤公平

訪問研究員

関口武治

大学院

深津茂人（D2)、阿部英介（D1)、大屋　武（M2)、根橋竜介（M2)、松木雄介（M2)、
上村真史（M1)

学部

清水康雄（B4)、田口真帆(B4)、鶴見大輔（B4）、鳥海　崇（B4)、 平井朝子（B4)、
増田絵里子（B4)、水尾佳弘（B4)、吉田俊治（B4）

概要

シリコン中の核スピンと電子スピンを利用した量子コンピュータ技術の開発に関する平成15年度の成果を報告する．核スピン制御に必要な半導体同位体超格子の作製と評価に成功し，平行して量子ビットの選択的アクセスに必要な強磁性体ストライプの開発を進めた．核スピン量子ビットでは，シリコン中の29Si同位体核スピンの位相緩和時間が25秒にまで延長できることを実験により示した．このことは29Si同位体核スピン量子ビットにおいて1量子ビット演算が106回，2量子ビット演算が104回実行できることを意味し，29Si同位体核スピンが量子ビットの候補として非常に有望であることが示された．また，シリコン中で電子スピンの量子ビットを実現するために，Si基板上にGe量子ドットの位置と大きさを制御する試みも開始した．Ge量子ドットをSiキャップ層で覆えば，Ge量子ドット直上のシリコン部分に集中する歪により電子が局在できると考える．Si中の局在電子スピンの核スピンとの相互作用に関する研究も開始した．

1. 導入

量子コンピュータは現在のコンピュータの不可能を可能にし得るコンピュータとして期待されている．現時点で役に立ちそうな量子計算用のアルゴリズムは，グローバーのデータベース検索とショアの素因数分解の2つ程度しかないが，それだけでも，現在のコンピュータでは不可能な問題が解けるという事実が重要である．長期的には量子力学によって支配されるすべての系のシミュレーションに量子計算が威力を発揮すると期待され，数10年を要するかもしれないが，この夢を机上の空論に終らせないための量子コンピュータ開発が活発化している．量子コンピュータと名乗る以上，単一量子（光子，電子スピン，核スピン，磁束など）か，そのアンサンブルを用いて量子コヒーレンスを保ちながら計算を進めることが必要となる．このような観点から，半導体を扱う研究者の間で電子および核スピンに対する注目が高まっている．半導体，特にGaAs系などの直接遷移型の材料では，励起光の偏光，量子ドットにおけるスピン選択則，量子ホール効果における特定のエッジチャンネルなどを用いて，ある一方向に偏った（偏極した）電子スピンを特定の空間に注入することができる．このようにして生成されたスピン偏極電子を量子操作し，最終的に読み出すことによって量子コンピュータが実現する．また，偏極した電子が半導体を構成する元素の核スピンと相互作用し，結果として電子スピンを通した核スピン制御も可能になる．核スピンのコヒーレンスは，光学的カー回転や電気伝導に顕著に現れる．本研究はシリコン中の核スピンと電子スピンのコヒーレンスを制御して量子コンピュータを実現することを目的としている．
核および電子スピンのコヒーレンス制御となると，最終的には結晶中の核スピンの配置も自由自在に操れることが望ましい．それを実現するのが半導体同位体工学である．例えば，たとえばシリコン元素は，28Si(92.2%)，29Si(4.7%)，30Si(3.1%)の3種類の安定同位体から構成され，その自然存在比は括弧内の割合で常に一定である．このうち29Siのみが核スピンI=1/2を有し，28Siと30Siは核スピンを持たない(I=0)．すなわち，シリコン結晶中において29Siの位置が自由自在に制御できれば，任意の核スピン配置が得られる．核スピン同士の双極子相互作用は，結晶構造の対称性や格子定数（または核スピン間の距離）によって変化するので，核スピンコヒーレンスを調べるという観点からは核スピンの配置制御が重要である．我々はシリコン同位体を原子層単位で積み上げ評価する技術を確立しており，28Si結晶中に周期的に埋め込まれた29Si核スピン層間の核スピン拡散とコヒーレンスに関する基礎実験も進めている．シリコン単結晶は，比類なき結晶性（欠陥濃度の低さ）と高純度（不純物濃度の低さ）を誇るため，わずかな量の核スピンを上手に導入することから，理想的な核スピンコヒーレンス実験が行えるのである．ちなみに，III-V族に代表される化合物半導体を構成するほとんどの同位体が核スピンをもっていて，核スピンを持たない同位体が存在しない．よって，化合物半導体で核スピンありとなしの箇所を制御することは極めて困難である．これは，電子スピンを利用する場合の欠点ともなりえる．III-V族半導体では核スピンの海の中を電子スピンが注入されることになるが，核スピンは電子スピンのデコヒーレンスの原因となる．よって，半導体同位体工学を通じて核スピンを排除できる点においてもシリコンは非常に魅力的である．シリコンを用いた量子コンピュータの構想は複数発表されている．
しかし，半導体中の核スピン制御という観点では，シリコンはIII-V族系に水をあけられている．シリコンは間接遷移型半導体で，III-V族の直接遷移型半導体のように偏光励起による高い電子スピン偏極が得られていない．量子ドット・量子ホール効果を利用した核スピン制御も現在はIII-V族系の独断場である．すなわち，シリコンでは電子スピン偏極を利用した核スピン制御が未だ達成されていないのである．ただし，GaAsやGaAlAsといったIII-V族半導体では核スピンの位置は制御できない．これはIII族とIV族の元素を構成するほとんどすべての同位体が核スピンを有するため，核スピン無しの空間が固体中に作れないためである．よって，長期的には，III-V族系により明らかにされた固体中の核スピン物理とその操作法をシリコンに取り込み，同時に，29Si同位体操作や核スピン不純物の選択的添加を上手に組み合わせることが，核スピンコヒーレンス研究という観点から重要になる．短期的には，伝統的な核磁気共鳴（NMR）技術を工夫し発展させることから，電子スピンに頼らずに，直接，核スピンのコヒーレンス制御を行うことがポイントで，その目的にシリコン単結晶が適していることを本研究室では明らかにする．
また，核スピンのない半導体中で電子スピンを制御するという観点から，SiおよびGeを利用した電子局在の実現も目指している．特にGe量子ドットの位置と大きさを自由自在に制御する試みに力を入れている．Si中の核スピン制御の詳細は文献4で述べたが，新たに始めたシリコンおよびゲルマニウム中の電子磁気共鳴と核スピンの相互作用に関する結果も紹介する．

2. 短期的目標

2量子ビットシリコン核スピン量子コンピュータの実現にむけた進展
我々は，核スピンをもたない28Si同位体中に，29Si核スピン列を大量に作製し，集団平均測定を行う全シリコン量子コンピュータを提案した．[Phys. Rev. Lett. 2002, J. Supercond. 2002] そこでは300量子ビットまでの拡張性を定量的に予測したが，短期的目標としては2量子ビット・アンサンブル量子コンピュータを目標としている．その目的を構造を作製するためには，異なる同位体を原子層単位で制御して積層する技術とその上に強磁性ストライプを作製してシリコンをエッチングする技術の開発が必要となる．また，核磁気共鳴を用いて，核スピンを初期化し，操作し，高感度で読み出す技術が量子計算のために必要となる．ここでスピン操作とは，核スピンの相互作用を必要なときは誘起し，不必要なときは完全に切って位相緩和を極力抑え，そのうえで量子力学的論理計算を行うことを指す．以下にシリコン量子コンピュータ開発に向けた進展を平成15年度に限って紹介する．

2.1 シリコン同位体超格子の作製と評価

3種類の異なるシリコン同位体のバルク単結晶を成長し，さらにそれらを原子層単位で分子線エピタキシー（MBE）装置を用いてエピタキシャル成長することに成功した．MBE成長前にバルク結晶の不純物濃度，欠陥濃度などが詳細に調べられ高純度であることが確認された．酸素濃度を調べる段階では非常に興味深い振動モードの挙動を発見し，新しい同位体効果として報告した．この結果をうけて水素の局在振動に対する同位体効果も調べて様々な非調和振動を議論した．また，原子層成長においてシリコン原子が拡散してしまうと量子ビットの位置が不確かになるという欠点があるため，結晶成長や酸化状態における拡散現象に関しても同位体をマーカーとして解析した．

2.2 強磁性ストライプとメサ構造の作製

NiFeをスパッタ法によりシリコン上に堆積し，それを反応性イオンエッチング（RIE）によってストライプ上に削る実験を進めている．また，ストライプ完成後のメサ構造の作製も進めている．

2.3 核スピン制御

4.7％の核スピンを含む天然のシリコンに加え，99.3％の29Si単結晶の核磁気共鳴を行うことにより，結晶シリコン中の核スピン双極子相互作用や核スピンダイナミクスを調べている． 99.3％の29Si単結晶に対して核磁気共鳴の印加磁場の結晶方位依存性を調べたことにより，双極子相互作用の詳細やペークスダブレットの確認などに成功した．特に大きな成果は核スピン間の相互作用を弱めることによって位相緩和時間を室温でも25秒まで延ばせたことである．25秒は固体結晶中で測定された最長の位相緩和時間である．25秒の位相記憶時間の間には単一量子ビット演算が100万回，2量子ビット演算が1万回実施できることから，シリコン中の核スピンの利用が量子計算の実現に向けて魅力的であることが定量的に示せた．

2.4 電子スピン制御にむけた量子ドットの位置と大きさの制御

シリコン中で電子スピンを制御するとなると，シリコン中に電子スピンを局在させる必要がある．有名なKaneの提案ではリン不純物に束縛された局在電子を核スピン量子ビット間の相互作用の制御に利用するが，純粋に電子を制御するとなると量子ドットの作製が望ましい．Ge量子ドットの位置と大きさが制御できれば，そのうえにかぶせたSiキャップ層の制御された位置に電子スピンが局在できると筆者は考えている．よって，Ge量子ドットの位置と大きさが極めて重要となる．そのための実験方法は，富士通研究所グループがGaAs基板上にInGaAs量子ドットを作製するために開発した方法を採用した．[M. Kawabe, H. Z. Song, T. Oshima, Y. Okada, K. Akahane, T. Miyazawa, and N. Yokoyama, “ Proc. 26th Intl. Conf. Physics of Semiconductors,” eds. A. R. Long and J. H. Davies, Institute of Physics Conference Series No. 171 (2003), p. 32.]

2.5 SiおよびGe中の電子スピンと核スピンとの相互作用

SiおよびGe中の電子スピンと核スピンの間の相互作用を電子磁気共鳴を用いて調べている．核スピン濃度（すなわち同位体組成を制御した）アモルファスGeにおける電子スピン磁気共鳴の結果を発表した．さらに核スピン濃度が制御されたシリコン中のリン不純物に束縛された電子の緩和機構も明らかにした．

2.6 その他

Si46Ba8クラスレートの超伝導機構を同位体効果から明らかにした．

3. まとめと展望

量子計算に向けた道のりは長いが，本研究室も含めた野心的な研究グループが，新しい核および電子スピンダイナミクスを調べている．その他，核スピンの初期化といった大きな問題が残っているが，これらも光学的な手法である程度の進展が望めると考えている．平成16年度は，量子操作を実現することを目標とする．本研究の共同研究者は，スタンフォード大学・山本喜久グループ，慶應大学・松本佳宣グループ，東北大学・大野裕三グループ，江刺正喜グループ，新潟大学・佐々木進グループであった．

学位論文

修士論文

  • 大屋　武：シリコン同位体結晶中の水素の局在振動
  • 根橋竜介：シリコン核スピン超格子の作製と評価
  • 松木雄介：ゲルマニウム同位体量子ドットの作製と評価

学士論文

  • 清水康雄：MBE法によるGeの高純度化に向けた研究
  • 田口真帆：DLTS法によるSi中Agの深い不純物準位評価
  • 鶴見大輔：シリコン中のサーマルドナー生成に対する熱処理の影響
  • 鳥海　崇：異方性エッチングを用いたシリコン基板上２次元構造配列の作製
  • 平井朝子：AFM陽極酸化によるGe量子ドットの配置・形状選択成長
  • 増田絵里子：3C-SiCの光学的及び電気的評価
  • 水尾佳弘：Si半導体材料に対するホール効果測定用電極の研究
  • 吉田俊治：Si(111)表面ステップ配列の研磨方位および直流電流方向依存性

進路

キャノン，NEC，新谷，日本IBM，米国大学院2名，東大大学院1名，慶應理工学研究科4名

口頭発表

  • 伊藤公平「量子コンピュータ開発のためのナノテクノロジー」，第16回学術講演会，平成15年4月10日，東京大学生産技術研究所（招待講演）
  • 伊藤公平「全シリコン量子コンピュータ」，新機能素子研究開発協会量子コンピュータサロン，平成15年4月11日
  • 伊藤公平「全シリコン量子コンピュータ」，国際高等研・学振・調査委員会「物質科学とシステムデザイン」，平成15年6月20-21日（招待講演）
  • K. M. Itoh, T. Kojima, and Y. Shiraki, “Growth and characterization of 28Sin/30Sin isotope superlattices,” The 11th International Conference on Modulated Semiconductor Structures, Nara, Japan, July 14-18, 2003.
  • R. N. Pereira, T. Ohya, K. M. Itoh, and B. Bech Nielsen, “Local Vibrational Modes of Bond-centerd H in 28Si, 29Si, and 30Si crystals,” The 22nd International Conference on Defects in Semiconductors, Arhus, Denmark, July 28-August 1, 2003.
  • 佐々木進，伊藤公平「シリコン核スピン量子操作」，東大セミナー「固体中の量子コヒーレンスと量子計算への展開」，平成15年9月10日（招待講演）
  • 伊藤公平「将来のシリコンウェーハ Si28の可能性-高熱伝導度，高移動度シリコン同位体ウェーハの最新動向-」，第12回半導体プロセスシンポジウム「65mmノードに向けた半導体プロセス技術の最新開発状況」，平成15年9月18日（招待講演）
  • 伊藤公平「半導体中の不純物や欠陥を用いた量子コンピューティング」，第4回・シリコン材料の科学と技術フォーラム「原子・分子操作を用いた欠陥・ナノ構造の制御」，平成15年9月23-25日（招待講演）
  • Kohei M. Itoh, “Silicon quantum computer,” International Conference on Quantum Information, Kyoto, Japan, November 5-7, 2003.（招待講演）
  • Kohei M. Itoh, “Phonon and Spin Engineering in Silicon,” The Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2003, Shonan, Japan, November 25-27, 2003.（招待講演）
  • Kohei M. Itoh and Y. Yamamoto, “All-silicon solid-state quantum computer,” Solid State Quantum Information Processing Conference, Amsterdam, The Netherlands, December 15-18, 2003.（招待講演）
  • 伊藤公平「シリコン量子コンピューター」，日本応用磁気学会第134回研究会「スピンエレクトロニクスの現状と将来」，平成15年1月29-30日（招待講演）
  • 伊藤公平「核スピンのコヒーレンス時間」，日本物理学会第59回年次大会，平成16年3月27-30日，九州大学
  • 原田淳之，小手川恒，川崎慎司，川崎祐，鄭国慶，北岡良雄，芳賀芳範，山本悦嗣，大貫惇睦，伊藤公平，E.E.Haller「UGe2の73Ge-NMR/NQRによる研究」，日本物理学会第59回年次大会，平成16年3月27-30日，九州大学
  • 阿部英介，磯谷順一，伊藤公平「同位体29Si中のPに束縛された電子スピンの緩和時間の測定」，日本物理学会第59回年次大会，平成16年3月27-30日，九州大学
  • 深津茂人，伊藤公平，植松真司，影島博之，高橋庸夫，白石賢二「酸化膜中におけるB拡散の酸化膜/Si界面からの距離依存性」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 植松真司，影島博之，高橋庸夫，深津茂人，伊藤公平，白石賢二，U. Gosele「酸化膜中におけるB拡散の酸化膜/Si界面からの距離依存性」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 植松真司，影島博之，高橋庸夫，深津茂人，伊藤公平，白石賢二「Bドープ酸化膜中のSi自己拡散」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 高橋敦士，王東方, 松本佳宣，伊藤公平「全シリコン量子コンピュータ用NiFeメサ構造の微細加工」」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 平井朝子，伊藤公平「AFM陽極酸化によるGe量子ドットの配置および形状選択成長」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 吉田俊治，関口武治，伊藤公平「Si(111)表面ステップにおける研磨方位と電流方向依存性」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学
  • 関口武治，吉田俊治，伊藤公平「Si(111)微斜面の[112]ステップ構造」，2004年（平成16年）春季　第51回応用物理学関係連合講演会，平成16年3月28-31日，東京工科大学

論文発表

  • M. Uematsu, A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, S. Fukatsu, K. M. Itoh, K. Shiraishi, and U. Gosele, “Modeling of Si self-diffusion in SiO2 :Effect of the Si/SiO2 interface including time-dependent diffusivity,” Appl. Phys. Lett. 84, 876-878 (2004).
  • T. Graf, T. Ishikawa, K. M. Itoh, E. E. Haller, M. Stutzmann, and M. S. Brandt, “Hyperfine Interactions at Dangling Bonds in Amorphous Germanium,” Phys. Rev. B 68, 205208 (2003).
  • S. Fukatsu, T. Takahashi, K. M. Itoh, M. Uematsu, A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, and K. Shiraishi,“The Effect of Partial Pressure of Oxygen on Self-Diffusion on Si in SiO2,” Jpn. J. Appl. Phy. 42, 1492-1494 (2003).
  • S. Fukatsu, T. Takahashi, K. M. Itoh, M. Uematsu, A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, and K. Shiraishi,“Effect of the Si/SiO2 Interface on Self-diffusion of Si in Semiconductor-grade SiO2,” Appl. Phy. Lett. 83, 3897-3899 (2003).
  • R. N. Pereira, T.Ohya, K. M. Itoh, and B. Bech Nielsen, “Local Vibrational Modes of Bond-centerd H in 28Si, 29Si, and 30Si crystals,” Physica E 340-342, 697-700 (2003).
  • K. Tanigaki, T. Shimizu, K. M. Itoh, J. Teraoka, Y. Moritomo, and S. Yamanaka, “Mechanism of superconductivity in the polyhedral-network compound Ba8Si46,” Nature Materials, 2, 653-655 (2003).
  • T. Kojima, K. M. Itoh, and Y. Shiraki, “Growth and Characterization of 28Sin/30Sin Isotope Superlattices,” Appl. Phys. Lett. 83, 2318-2320 (2003).
  • K. M. Itoh, J. Kato, F. Uemura, A.K. Kaliteyevskii, O.N.Godisov, G. G. Devyatych, A.D. Bulanov, A. V. Gusev, I.D. Kovalev, P. G. Sennikov, H.-J. Pohl, N.V. Abrosimov, and H. Riemann, “High Purity Isotopically Enriched 29Si and 30Si Single Crystals: Isotope Separation, Purification, and Growth,”Jpn. J. Appl. Phys. Pt. 1, 42, 6248-6251(2003).
  • A. S. Verhulst, D. Maryenko, Y. Yamamoto, and K. M. Itoh, “Double and Single Peaks in Nuclear Magnetic Resonance Spectra of Natural and 29Si Enriched Single Crystal Silicon,” Phys. Rev. B, Vol. 68, 054105 (1-6) (2003).
  • J. Kato, K. M. Itoh, H. Yamda-Kaneta, H.-J. Pohl, “Host Isotope Effect on the Localized Vibrational Modes of Oxygen in Isotopically Enriched 28Si, 29Si and 30Si Single Crystals,” Phys. Rev. B 68, 035205(2003).
  • K. M. Itoh “Silicon Quantum Computers,”Solid State Physics, 38, 269-278 (2003), review article in Japanese.
  • E. Abe, K. M. Itoh, T. D. Ladd, J. R. Goldman, F. Yamaguchi, and Y. Yamamoto,”Solid-State silicon NMR quantum computer,” Journal of Superconductivity Vol. 16(1), 175-178(2003).
  • T. Takahashi, S. Fukatsu, K. M. Itoh, M,Uematsu,A. Fujiwara, H. Kageshima, Y. Takahashi, and K, Shiraishi,”Self-Diffusion of Si in Thermally Grown SiO2 under Equilibrium Conditions,” J. Appl. Phys. Vol. 93, 3674-3676 (2003).

解説論文

  • 伊藤公平、「量子コンピュータ開発のためのナノテクノロジー」、生産研究、Vol. 55, No. 4, 351-357(2003).
  • 伊藤公平、「半導体での蓄積を優位性に」、日経先端技術、No.41, 18-21 (2003).
  • 佐々木　進、伊藤公平、「シリコン結晶中の核スピン量子コヒーレンス」、固体物理、38, No. 11, 801-815(2003).
  • 伊藤公平、「シリコン半導体からみた量子コンピューター」、機能材料、Vol. 23, No. 12, 8-13 (2003).
  • 伊藤公平、「シリコン量子コンピュータ」、固体物理、38, No. 4, 269-278 (2003).

著書

  •  伊藤公平「全シリコン量子コンピュータ」別冊・数理科学「量子情報科学とその展開　量子コンピュータ・暗号・情報通信」、平成15年4月10日㈱サイエンス社発行、121～128頁
  •  伊藤公平「赤外線イメージ炉を用いたシリコン単結晶の成長」、赤外線加熱工学ハンドブック・アグネ技術センター、270～275頁（2003）

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（１）「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（２）「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」
  •  旭硝子財団　第2分野特定研究助成B「超構造を有する新概念４族半導体素子の研究」