学 位 論 文 の 要 旨
論 文 題 目：イオン注入による集積化NVセンターの形成に関する研究 （英訳）Study on creation of scalable NV centers by ion implantation
氏 名 春山 盛善 印
ダイヤモンド中の窒素空孔複合欠陥(NVセンター)に対し、室温動作が可能な量子ビ ットとして、将来的な量子情報処理分野における応用に期待が集まっている。他の候補 材料と比較して、NVセンターは室温で特異的に長いコヒーレンス時間を有するという 他の材料にはない優位性・利点を持つ。反面、NVセンターを室温動作の量子レジスタ として用いるためには、数nm~数十nm程度の距離に複数のNVセンターを形成する必 要がある。既存技術で現在達成が確認されているのは、2量子ビット量子レジスタまで である。さらなる集積化を実現するためには、既存技術において限界が存在するNVセ ンター間距離の劇的な短縮が必要である。
そこで本研究では、荷電粒子を用いた新たなNVセンター形成技術であるC5N4Hnイ オン注入を用いて、集積化したNVセンター形成に取り組んだ。従来手法として代表的 なナノホール越しの窒素イオン注入と比較して、C5N4Hn注入法は複数の窒素原子がよ り近い距離に導入できる。これを活用し、十数nm程度の短距離に複数のNVセンター を形成した。さらに形成された 3 つの NV センターのコヒーレンス時間及び双極子双 極子相互作用の測定を通じて 3 量子ビット量子レジスタが実現されたことを実験的に 確認した。
本論文は全 6 章から構成されている。量子情報処理技術の展望と量子ビットの素子 材料間の比較を取りまとめた第1章につづき、第2章ではNVセンターに焦点を当て、
その諸特性についてまとめた。NVセンターの光検出磁気共鳴(ODMR)効果を用いるこ とで、量子ビットとしての条件であるスピンの読み出しと初期化を行うことができる。
NVセンターを室温動作の量子レジスタとして利用するためには、NVセンター間の双 極子双極子相互作用を用いる。双極子双極子相互作用は NV センター間の距離 3 乗で 弱くなるため、より近い距離にNVセンターを形成することが重要である。双極子双極 子相互作用の検出限界はコヒーレンス時間によって決まる。NVセンターのコヒーレン
ス時間が10~100 μs程度であれば、複数のNVセンターを少なくとも数十nm以下の距
離に形成する必要があることなど、量子レジスタ形成のための必要な指針が定量的に 明示された。本章で整理された議論に従い、集積化したNVセンターの形成としては、
高い形成位置制御性を有する手法が求められることから、既存形成技術の整理と新た な集積化形成技術における必要要素を整理することが必要となる。これを受けて、3章 では既存形成技術を総覧しつつ、NVセンター集積化に向けた問題点を整理した。既存 形成技術として、窒素(N)イオン注入、集束Nイオン注入、Osイオン照射によるNVセ ンター形成の3種類を用いた。各技術において依然として数十nm程度の距離にNVセ ンターが形成される確率は低いことが結論づけられた。既存技術に代わる形成手法の 開発が必要であることは、本章までの議論から疑いの余地がない。
前章までに整理された技術的な要求課題に対し、4章では集積化に関する新規イオン 注入法である、C5N4Hnイオン注入法を用いてNVセンター形成を行った。C5N4Hnは1 分子中に4 つ窒素原子を含む。C5N4Hn分子の大きさは数Åであるため、イオンのスト ラグリングで決まる数 nm~十数 nm 程度の極近い距離での NV センター形成が期待で きる。照射後の共焦点顕微鏡による測定では、3つまでのNVセンターが近接した位置 に形成されることが実験的に確認できた。次いで、本C5N4Hnイオン注入法を用いるこ とで形成されるNVセンターの形成収率、コヒーレンス時間についても評価した。結果 として、既存技術である N イオン注入と比較して高い形成収率が得られること、また コヒーレンス時間においても顕著な差異や劣化が見られないことが確認された。以上 の結果から、C5N4Hnイオン注入法は、NVセンター形成手法として極めて高い優位性を 有することが示された。
第5章では，第4章のC5N4Hnイオン注入によって形成されたNVセンターが量子レ ジスタとして利用できるか検証を行った。2量子ビット及び3量子ビット量子レジスタ として、NVセンターを用いるための条件が記述された。また、第4章において検出さ れた近接した3つのNVセンター(Triple NV)に関して、3量子ビット量子レジスタとし ての条件を満たすか検証を行った。2 つの Triple NV に関して測定を行ったところ、1
つのTriple NVが3量子ビット量子レジスタとしての条件を満たしていることが確認で
きた。
最終章である第6章は本論文を総括する章であり，NVセンターの集積化に向けた革 新的技術と成り得る技術開発について、論文全体を通して明らかにされた主要な結論 を述べている。
学 位 論 文 の 要 旨
論 文 題 目：イオン注入による集積化NVセンターの形成に関する研究 （英訳）Study on creation of scalable NV centers by ion implantation
氏 名 春山 盛善 印
Due to its long coherence time and fascinating readout and initialization scheme of electron spin by optical pumping at room temperature, NV centers are considered as promising candidate of quantum bit (qubit) for quantum information processing. The rooms for challenges still remain in the application of NV center as a qubit and most recognized one is its scalability compared with other qubit engines. For example, separation distances in scale of nanometers for multiple centers in array is desired for the realization of quantum register based on NVs. Conventionally couples of NV centers were fabricated by 1) focused ion implantation, 2) nitrogen molecule (N2) ion implantation, and 3) nitrogen ion implantation through nano-hole photo-resist mask. Quantum register consisted by more than three of electron of NV center has not yet been realized by these three techniques. Investigation of novel fabrication technique is therefore required for realization of quantum register consisted by NVs. In this study, I propose C5N4Hn ion implantation as novel fabrication technique of scalable NV center. Because of enrichment of multiple nitrogen in single impact of the molecule, NV centers can be fabricated in shorter distance compared with other technique. This thesis proposes fabrication of quantum register consisted by three qubits by utilizing C5N4Hn ion implantation.
This thesis consisted of six chapters. Chapter 1 summarizes about quantum information processing technique and qubit. Chapter 2 focus on NV center. A possible architecture of quantum register at room temperature is dipole coupled NV centers. Because dipole dipole coupling strength decrease with third power of distance between NV centers, it is important to fabricate NV center closely. Therefore, defect engineering technique with high position accuracy was required for scaling up of NV center. Chapter 3 summarizes the issue of fabrication technique of scalable NV center. In this study, I performed scalable NV center fabrication by using nitrogen ion implantation, focused nitrogen ion implantation, and Osmium ion irradiation. The probability of NV center fabrication with nanometer separation is too low in each technique. It was concluded that development of novel technique for scalable NV center fabrication was necessary.
Chapter 4 proposes C5N4Hn ion implantation as a novel technique for scalable NV center
fabrication. Up to three of NV centers within closely-separated distance was realized and observed under C5N4Hn ion implantation. Creation yield and coherence time of NV center fabricated by C5N4Hn ion implantation were compared and evaluated with the one formed by conventional engineering techniques. As a result, High creation yield and reasonable coherence time were given compared with nitrogen ion implantation. It is concluded that C5N4Hn ion implantation was effective for fabrication technique of scalable NV center.
Chapter 5 verified whether NV center fabricated by C5N4Hn ion implantation can be used for quantum register. Condition required for three-qubit quantum register was clarified. Triple NV centers were verified its satisfactions for the requirement and result positively sounds for the conditions for three-qubit quantum register. Those are the evidence of the key engagement of engineering technique of C5N4Hn ion implantation with the realization of three-qubit quantum register. Chapter 6 concludes the thesis. It was concluded that development of innovative technique for scale-up of NV center was succeed.
