JP7070904B2 - ダイヤモンド単結晶およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、窒素－空孔複合欠陥（以下、「ＮＶセンター」とも称する。）を有するダイヤモンド単結晶、および、ＮＶセンターを有するダイヤモンド単結晶の製造方法に関する。
ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターは、量子ビットとして室温で作用することが知られている。
窒素“原子”イオンをダイヤモンド単結晶中にイオン注入法で注入すると１量子ビットとして作用するＮＶセンター（以下、「シングルＮＶセンター」とも称する。）を形成することができる（非特許文献１）。ダイヤモンド単結晶中に注入された窒素原子イオンは、ストラッグリングと称されるランダムな現象により分布するため、停止位置の精密な制御が困難である。
２量子ビットとして作用するＮＶセンター（以下、「ダブルＮＶセンター」とも称する。）をダイヤモンド単結晶中に形成するには、互いに相互作用する２つのＮＶセンターをナノメートルオーダーの範囲に形成しなければならない（非特許文献２～５）。しかし、上述したストラッグリングに起因するダイヤモンド単結晶中での窒素原子の停止位置の不確実性が問題となる。このため、ストラッグリングの影響を抑えるために低エネルギのイオン注入が採用される。窒素原子イオンのダイヤモンド単結晶中での停止位置を制御するには、窒素原子イオンの入射位置も重要な要素となる。ダイヤモンド単結晶表面において、可能な限り同じ位置での窒素原子イオンの注入が求められる。かかる問題を克服するために、以下の２つの手法が用いられることが多い。
１つ目の手法としては、電子線描画法で穴を開けたレジストマスクをダイヤモンド単結晶表面に配置し、当該穴が開いたレジストマスク越しに窒素原子イオンを照射する方法が採用される（図１参照）。電子線描画法でレジストマスクに開けることができる最も小さい穴の直径は、数ナノ～数十ナノメートルが一般的である。ナノメートルオーダーでの停止位置の精密な制御を目的としているところ、入射位置が数十ナノメートルに渡って広がっているのは好ましくなく、ダブルＮＶセンターが生成される確率は低くならざるを得ない。
上記１つ目の手法の欠点を克服するため２つ目の手法として、注入材料として窒素“分子”イオンを用いる方法がある。窒素分子イオンをダイヤモンド単結晶中にイオン注入法で注入すると、ダイヤモンド単結晶表面に衝突した瞬間に窒素分子が２つの窒素原子に分かれる。その後、各窒素原子はダイヤモンド単結晶中を進み、ストラッグリングの範囲で窒素原子が各々停止する。注入時点では２つの窒素原子からなる窒素分子であるため、電子線描画法で開ける穴の大きさが限りなくゼロに近い状態と同様とみなすことができる。注入時点で、ダイヤモンド単結晶表面での入射位置を精密に制御できる点では、１つ目の手法より優れている。
しかし、上述したいずれの方法も、注入した窒素原子イオンや窒素分子イオンの全てがＮＶセンターを形成するとは限らず、Ｐ１（炭素を置換した窒素）センターなどの他の欠陥を形成することが知られている。形成されるＮＶセンターの数と、注入した窒素の数の比（以下、「収率」とも称する。）は、注入エネルギが低くなるにしたがって低くなる。したがって、ストラッグリングの影響を抑えるために低エネルギのイオン注入を採用すると、収率が低くなるという問題もある。
上述のような種々の問題に起因して、３量子ビットとして作用するＮＶセンター（以下、「トリプルＮＶセンター」とも称する。）以上の多量子ビットとして作用するＮＶセンターを有するダイヤモンド単結晶は実現されてこなかった。
Pezzagna, S., Naydenov, B., Jelezko, F., Wrachtrup, J. & Meijer, J. Creation efficiency of nitrogen-vacancy centres in diamond. New J. Phys. 12, (2010)
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本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、トリプルＮＶセンター以上の多量子ビットとして作用するＮＶセンターを有するダイヤモンド単結晶を実現することにある。
上記の課題を解決するために、本発明に係るダイヤモンド単結晶は、少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶であって、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能する構成である。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして機能させることができる。
上記の課題を解決するために、本発明に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶の製造方法であって、化合物をダイヤモンド単結晶に対してイオン注入するステップを有し、前記化合物が、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含し、多量子ビットとして作用する少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥をダイヤモンド単結晶内に生成させる方法である。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶にイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明によれば、上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして機能させることができるという効果を奏する。
〔実施形態１〕
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。
本発明は、ダイヤモンド単結晶に対し加速器を利用して有機化合物イオン注入を行い、トリプルＮＶセンター以上の多量子ビットとして作用するＮＶセンターを有するダイヤモンド単結晶を実現するものである。イオン注入される好ましい化合物は、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する。より好ましい化合物は、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する。種々の加速器が利用可能であるが、本実施形態ではＣｓスパッタ型イオン源と質量分析器を組み合わせて使用した。
＜イオン源に使用する原料＞
イオン注入に用いる原料としてアデニン（Ｃ５Ｎ５Ｈ５）を用いた。アデニンをイオン源の原料として用いた際に発生するイオンの一例として、Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオンを注入に用いた。好ましい実施形態として、ｎの数は問わない（任意の自然数）。はじめに、アデニンを負イオン化させる必要があり、本実施形態では、Ｃｓスパッタ型のイオン源を用いた。
イオン注入に用いる原料としてアデニン（Ｃ５Ｎ５Ｈ５）を用いた。アデニンをイオン源の原料として用いた際に発生するイオンの一例として、Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオンを注入に用いた。好ましい実施形態として、ｎの数は問わない（任意の自然数）。はじめに、アデニンを負イオン化させる必要があり、本実施形態では、Ｃｓスパッタ型のイオン源を用いた。
アデニンは、単量体に限定することなく、２量体、３量体などを用いることができる。アデニンに限定することなく、窒素原子を３以上含む化合物をイオン注入に用いる原料とするのが好ましい。例えば、窒素原子イオンを３～２０包含する化合物であってよく、好ましくは、含窒素化合物（アルギニン、ヒスチジン、クレアチン等）、特に含窒素複素環式化合物（プリン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、イミダゾール、トリアゾール等）、およびそれらの誘導体を用いることができる。
イオン源外部のオーブンで気化してイオン生成チャンバーに送り込まれたＣｓ（セシウム）蒸気を、イオン生成チャンバー内に設置されたアイオナイザー（１０００℃程度まで加熱可能な金属プレート）に接触させる。これにより、熱電離によって正イオン化したＣｓイオンが、アイオナイザーとカソード（固体原料）との間に印加された数ｋＶの電場により加速され、原料と衝突する。衝突により弾き飛ばされた（スパッタされた）原料原子または分子は負イオンとなる。さらにカソード表面に付着した中性のＣｓの化学的性質を利用して原料原子或いは分子の負イオン化効率を高めている。当該負イオンを正電位にある引出電極によりイオン生成チャンバーから引出し負イオンビームとする。好ましい実施形態では、負イオン化したアデニンを引き出し加速電圧６５ｋＶにて加速した。
図３は、アデニンを原料としてイオン源から引き出されたイオンビームの質量分析の結果を示す。図３に示した質量分析の結果、窒素を１～５個包含する有機化合物イオンビームが形成されていることが確認できた。図３に示すとおり、本実施形態ではＣ５Ｎ４Ｈｎイオンを用いた。他の好ましい実施形態では、Ｃ３Ｎ３ＨｎイオンやＣ４Ｎ３Ｈｎイオンを用いることができる。また、アデニンイオンの２量体、３量体などを用いてもよい。
上述のとおり、本実施形態ではＣｓスパッタ型のイオン源を採用したが、本件発明はＣｓスパッタ型のイオン源に限定するものではない。
本実施形態同様に負イオンを加速可能な態様としては、電子付着型のイオン源を採用することもできる。電子付着型のイオン源では、粉末状のアデニンのような粉末原料をオーブンで昇華させ、電子付着セル内に設置されたフィラメントから放出される熱電子を、電子付着セル内に送り込まれた試料原子または分子に付着させる。これにより原料を負イオン化させ、当該負イオンを正電位にある引出電極により電子付着セルから引出し負イオンビームとすることができる。プラズマやスパッタ等による原料分子の解離がないため、分子の負イオン化に有効である。
更に別の実施形態では、アーク放電型のイオン源を採用することもできる。粉末原料をオーブンで気化した蒸気またはガス原料をアークチャンバーに送り込み、その原子または分子を、アークチャンバーの中央に設置されたフィラメントから放出され正電位にあるアークチャンバー壁面に流れた電子（アーク放電）と衝突させる。この衝突により、原料を電離させ、正イオンとし、アークチャンバー内にプラズマを形成させ、当該正イオンを正電位にある引出電極により電子付着セルから引出し負イオンビームとする。十分な蒸気が得られない原料に対してはプラズマサポートガスを用いることでプラズマを形成し、効率的に正イオン化することができる。正イオンを加速可能であり、多量体などにも有効である。
＜ＮＶセンター形成＞
従来のＮＶセンターの形成スキーム（図１）と対比しつつ、本実施形態におけるＮＶセンターの形成スキームを図２を参照して説明する。
従来のＮＶセンターの形成スキーム（図１）と対比しつつ、本実施形態におけるＮＶセンターの形成スキームを図２を参照して説明する。
（シングルＮＶセンター）
図１は、従来技術による窒素イオン注入の概略図である。図２は、本実施形態による有機化合物イオン注入の概略図である。図１および図２は、イオン注入後の内部の様子を模式的に示すことを優先した概略斜視図であり、各要素の縮尺比率、方位などは必ずしも正確ではない。
図１は、従来技術による窒素イオン注入の概略図である。図２は、本実施形態による有機化合物イオン注入の概略図である。図１および図２は、イオン注入後の内部の様子を模式的に示すことを優先した概略斜視図であり、各要素の縮尺比率、方位などは必ずしも正確ではない。
図１に示すとおり、従来技術では、窒素原子イオン１３をダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する。図１では、４つの窒素原子イオン１３をイオン注入する様子を模式的に点線矢印で示している。ダイヤモンド単結晶１０にイオン注入された窒素原子イオン１３は、それぞれランダムにダイヤモンド単結晶１０内を進む。窒素原子イオン１３がダイヤモンド単結晶１０内を進むにつれて、ダイヤモンド単結晶１０内に空孔１４が形成される。図１では、形成された一連の空孔に参照番号１４を付し、個別の空孔に参照番号１４ｉ（ｉは１以上の任意の整数）を付した。
イオン注入された窒素原子イオン１３は、ダイヤモンド単結晶１０内のストラッグリングの範囲で各々停止する。例えば、窒素原子イオン１３のイオン注入エネルギが１０ＭｅＶであれば、注入された窒素原子イオン１３は、表面から約３．８μｍまでダイヤモンド単結晶１０中をほぼ直進する。この直進距離を、以下、飛程とも称する。注入された窒素原子イオン１３は、表面からぴったり３．８μｍの位置に停止するわけではなく、３．８μｍ（３８００ｎｍ）から標準偏差（σ＝６８％）で１１０ｎｍの範囲に分布する。窒素原子イオン１３のイオン注入エネルギが１０ＭｅＶの場合、当該約１１０ｎｍの範囲をストラッグリングと称する。したがって、イオン注入された窒素原子イオン１３は、深さ方向では約３６９０ｎｍから約３９１０ｎｍの範囲に６８％の確率で分布する。
窒素原子イオン１３のイオン注入エネルギが１０ｋｅＶであれば、飛程は約１４ｎｍであり、ストラッグリングは標準偏差（σ＝６８％）で約５ｎｍとなる。したがって、イオン注入された窒素原子イオン１３は、深さ方向では約９ｎｍから約１９ｎｍの範囲に６８％の確率で分布する。
停止した窒素原子イオン１３の近傍に空孔１４ｉが存在すれば、その後の熱処理によりある一定の確率でＮＶセンターが形成される。窒素原子イオン１３のランダムに分布した範囲と、窒素－空孔複合欠陥の形成確率から、シングルＮＶセンター１５が１％程度生成されることが報告されている。
（ダブルＮＶセンター）
照射領域を限定することにより、ダイヤモンド単結晶１０中に注入された窒素原子イオン１３が分布する範囲をある程度は限定することが期待される。例えば、背景技術の項でも説明したとおり、電子線描画法で穴１２を開けたレジストマスク１１をダイヤモンド単結晶１０の表面に配置することができる。穴１２が開いたレジストマスク１１越しに窒素原子イオン１３を照射する。電子線描画で形成できる穴１２の直径は、最も小さい直径で数ナノメートルから数十ナノメートルである。したがって、例えば１０ｋｅＶの照射エネルギで窒素原子イオン１３を注入した場合、穴１２の直径から更にストラッグリングの範囲で広がったエリアに窒素原子イオン１３が各々停止する。窒素原子イオン１３の照射領域を限定しない場合より、各窒素原子イオン１３が分布する領域が限定されることが期待されるため、ダブルＮＶセンターが生成されることが報告されている。また、注入するイオン源として窒素分子イオンを利用することによっても、ダブルＮＶセンターが生成される確率が高まることが報告されている。
照射領域を限定することにより、ダイヤモンド単結晶１０中に注入された窒素原子イオン１３が分布する範囲をある程度は限定することが期待される。例えば、背景技術の項でも説明したとおり、電子線描画法で穴１２を開けたレジストマスク１１をダイヤモンド単結晶１０の表面に配置することができる。穴１２が開いたレジストマスク１１越しに窒素原子イオン１３を照射する。電子線描画で形成できる穴１２の直径は、最も小さい直径で数ナノメートルから数十ナノメートルである。したがって、例えば１０ｋｅＶの照射エネルギで窒素原子イオン１３を注入した場合、穴１２の直径から更にストラッグリングの範囲で広がったエリアに窒素原子イオン１３が各々停止する。窒素原子イオン１３の照射領域を限定しない場合より、各窒素原子イオン１３が分布する領域が限定されることが期待されるため、ダブルＮＶセンターが生成されることが報告されている。また、注入するイオン源として窒素分子イオンを利用することによっても、ダブルＮＶセンターが生成される確率が高まることが報告されている。
しかし、いずれの方法でも意図的にトリプルＮＶセンター以上の窒素－空孔複合欠陥の形成を制御することは困難であった。
（トリプルＮＶセンター）
本実施形態では、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物イオンをダイヤモンド単結晶１０に照射した。トリプルＮＶセンターを生成させるためには、少なくとも３以上の窒素原子イオンは必須である。より好ましい態様では、少なくとも３以上の窒素原子イオンおよび１以上の炭素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶１０に照射した。炭素原子イオンを併せてイオン注入することにより、当該炭素原子イオンにより空孔が形成され得るため、窒素原子イオンのみをイオン注入する場合と比較してより多くの空孔が形成される。かかる炭素原子イオンのイオン注入により形成された空孔も、トリプルＮＶセンターの生成に寄与するため、炭素原子イオンを包含する化合物イオンを用いることで効率よくトリプルＮＶセンターを形成し得るからである。
本実施形態では、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物イオンをダイヤモンド単結晶１０に照射した。トリプルＮＶセンターを生成させるためには、少なくとも３以上の窒素原子イオンは必須である。より好ましい態様では、少なくとも３以上の窒素原子イオンおよび１以上の炭素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶１０に照射した。炭素原子イオンを併せてイオン注入することにより、当該炭素原子イオンにより空孔が形成され得るため、窒素原子イオンのみをイオン注入する場合と比較してより多くの空孔が形成される。かかる炭素原子イオンのイオン注入により形成された空孔も、トリプルＮＶセンターの生成に寄与するため、炭素原子イオンを包含する化合物イオンを用いることで効率よくトリプルＮＶセンターを形成し得るからである。
好ましい実施形態では、ダイヤモンド単結晶１０にＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１を１０８／ｃｍ２の照射量で注入した。照射されるダイヤモンド単結晶１０の好ましい結晶面は（１００）面である。図２に模式的に示すとおり、Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１の状態でダイヤモンド単結晶１０の表面に照射されるため、照射ポイント（図２の点線矢印）では、点線源に相当する。窒素原子イオン１３が照射される領域は、図１の穴１２を利用したような広い分布とはならず、複数の窒素原子イオン１３が１点で注入されることになる。本実施形態では、図１の例と比較しつつ説明を簡易にする目的で１つのＣ５Ｎ４Ｈ４イオン２１を用いた例を示している。
イオン注入されたＣ５Ｎ４Ｈ４イオン２１は、窒素原子イオン１３、炭素原子イオン２２、水素原子イオン２３に分かれてダイヤモンド単結晶１０内を各々所定の飛程だけ進む。窒素原子イオン１３および炭素原子イオン２２が、ダイヤモンド単結晶１０内を進むにつれて、ダイヤモンド単結晶１０内に空孔１４が形成される。図２では、形成された一連の空孔に参照番号１４を付し、個別の空孔に参照番号１４ｉ（ｉは１以上の任意の整数）を付した。本実施形態では、照射ポイントが点線源に相当するため、図１の例と比べ、空孔１４が形成される領域が限定され、注入後の窒素原子イオン１３同士の距離も短くなる。窒素原子イオン１３だけでなく、炭素原子イオン２２もイオン注入によりダイヤモンド単結晶１０内を進むため、図１の例とし比して、限定された領域に多くの空孔を形成することができる。つまり、炭素原子イオン２２もイオン注入されることによりＮＶセンターの収率が高くなる。
＜アニーリング＞
当該イオン注入後、本実施形態では、ダイヤモンド単結晶１０をアニーリングした。図４は、１０００℃におけるアニーリング時間とＮＶセンターの生成態様について示したグラフである。図４に示す通り、アニーリング時間を長くすると、単位時間当たり（／分）変化するＮＶセンターの数が多くなるのが確認できる。一方、アニーリング時間が１０分を超えるとＮＶセンターの数が安定するのが確認できる。８００℃以上１２００℃以下では、同様の傾向が確認できた。本実施形態では、８００℃で５時間、１０００℃で２時間、１２００℃で１時間など種々のアニーリングを実施し、ＮＶセンターの生成が確認できた。
当該イオン注入後、本実施形態では、ダイヤモンド単結晶１０をアニーリングした。図４は、１０００℃におけるアニーリング時間とＮＶセンターの生成態様について示したグラフである。図４に示す通り、アニーリング時間を長くすると、単位時間当たり（／分）変化するＮＶセンターの数が多くなるのが確認できる。一方、アニーリング時間が１０分を超えるとＮＶセンターの数が安定するのが確認できる。８００℃以上１２００℃以下では、同様の傾向が確認できた。本実施形態では、８００℃で５時間、１０００℃で２時間、１２００℃で１時間など種々のアニーリングを実施し、ＮＶセンターの生成が確認できた。
以下、１０００℃で２時間熱処理したダイヤモンド単結晶１０について説明する。当該熱処理により、ダイヤモンド単結晶１０中に注入された窒素の一部と空孔とが結合し、ＮＶセンターが形成される。Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１の状態でダイヤモンド単結晶１０の表面に点線源に相当する態様で照射するため、限定された領域に形成される空孔の量が多く、飛程後の窒素原子イオン１３の各々の停止位置が図１の例に比して相対的に近くなる。その結果、近接するＮＶセンター２５の生成確率が高くなる。図２では、近接するＮＶセンター２５をそれぞれ、ＮＶＡ（２５ａ）、ＮＶＢ（２５ｂ）およびＮＶＣ（２５ｃ）と示す。
＜トリプルＮＶセンターの同定＞
当該熱処理が施されたダイヤモンド単結晶１０中に形成されたＮＶセンターの態様を図５および図６に示す。図５は、共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡（ＣＦＭ）による測定結果を示す。図６は、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトル法による測定結果を示す。
当該熱処理が施されたダイヤモンド単結晶１０中に形成されたＮＶセンターの態様を図５および図６に示す。図５は、共焦点レーザー走査型蛍光顕微鏡（ＣＦＭ）による測定結果を示す。図６は、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトル法による測定結果を示す。
図５を参照すると、所定の観測領域（ｘ軸方向：８０～１００μｍ、ｙ軸方向：０～２０μｍ）の蛍光強度の面内分布が確認できる。蛍光強度の観測結果から、所定の蛍光強度以上のスポットを以下の通りマークした。１つのＮＶセンターが含まれているスポットを「□」で囲み、２つのＮＶセンターが含まれているスポットを「○」で囲み、３つのＮＶセンターが含まれているスポットを「△」で囲んだ。図５の観測結果のとおり、所定の観測領域に、３つのＮＶセンターからなるトリプルＮＶセンターが形成されているのが確認できる。
当該各スポットに含まれるＮＶセンターの数を光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトル法を用いて同定した結果を図６に示す。図６に示した３つのスペクトルは、上から順に、ディップの数が２つ、４つ、６つであることが確認できる。ディップの数が２つのスペクトルは、シングルＮＶセンターを示し、ディップの数が４つのスペクトルはダブルＮＶセンターを示し、ディップの数が６つのスペクトルはトリプルＮＶセンターを示す。６つのディップから、３つのＮＶセンター（ＮＶＡ（２５ａ）、ＮＶＢ（２５ｂ）およびＮＶＣ（２５ｃ））が各々異なる方位を持っていることが確認できる。図２では、ＮＶＡ（２５ａ）、ＮＶＢ（２５ｂ）およびＮＶＣ（２５ｃ）が各々異なる方位を示すことを明示するために模式的に矢印を付してある。
＜各ＮＶセンターの相互作用＞
上記３つのＮＶセンターが相互作用している場合、量子絡み合いが生成され、トリプルＮＶセンターを形成し、３量子ビットとして機能する。以下、ＮＶセンターの相互作用について説明する。
上記３つのＮＶセンターが相互作用している場合、量子絡み合いが生成され、トリプルＮＶセンターを形成し、３量子ビットとして機能する。以下、ＮＶセンターの相互作用について説明する。
３つのＮＶセンターのうちの２つのＮＶセンターの相互作用を検討する。本実施形態では、ＮＶＡ（２５ａ）とＮＶＢ（２５ｂ）とのペア、ＮＶＢ（２５ｂ）とＮＶＣ（２５ｃ）とのペア、および、ＮＶＡ（２５ａ）ＮＶＣ（２５ｃ）とのペアを想定する。
上記ペアを構成する２つのＮＶセンター間の双極子－双極子相互作用は、２つのＮＶセンター間の距離の３乗の逆数に比例して減衰する。したがって、より近接した位置にＮＶセンターを形成することが重要となる。
また、双極子－双極子相互作用の検出感度は、ＮＶセンターのコヒーレンス時間の逆数に比例して低下する。したがって、コヒーレンス時間の改善も重要な要素となる。図７は、コヒーレンス時間Ｔ２（μｓ）のイオン注入エネルギ（ｋｅＶ）依存性を示すグラフである。図７を参照すると、１０ｋｅＶのイオン注入では、１００μｓ程度のコヒーレンス時間が一般的であることが確認できる。Ｔ２が１００μｓのＮＶセンターを用いた場合に双極子―双極子相互作用の検出限界は１０ｋＨｚ（＝１／１００μｓ）である。
図８は、窒素原子イオン間の距離に対する相互作用の強さおよび生成確率を示すグラフである。図９は、イオン注入エネルギに対する収率を示すグラフである。図８の左縦軸は、窒素原子イオン間の距離に対する双極子－双極子相互作用の強さを表す。双極子－双極子の相互作用が１０ｋＨｚとなる窒素原子イオン間の距離が１５．４ｎｍであるのが確認できる。Ｃ５Ｎ４Ｈ１のイオン注入では、注入した窒素原子イオン１３同士の距離は、窒素原子イオン１３のストラッグリングによってのみ決定されるため、本実施形態によるイオン注入によれば窒素原子イオン１３同士を近い距離に導入することが可能である。
図８の（ａ）および（ｂ）の右縦軸は、Ｃ５Ｎ４Ｈ１イオン注入に関する任意の２つの窒素原子間の距離の確率分布を表す。当該確率分布は、イオン注入に関して一般的に採用されるＳＲＩＭ（Stopping and Range In Matter）シミュレーションコードを用いた。図８の（ａ）は、Ｃ５Ｎ４Ｈ１を８４ｋｅＶのエネルギでイオン注入した場合を示し、図８の（ｂ）は、Ｃ５Ｎ４Ｈ１を６５ｋｅＶのエネルギでイオン注入した場合を示す。原子量の配分により、１４Ｎイオンに対するエネルギは、１０ｋｅＶに相当する。したがって、Ｃ５Ｎ４Ｈ１では、相互作用が１０ｋＨｚとなる距離である１５．４ｎｍ以内に窒素原子が停止する確率は、約８３％となることが確認できる（図８の（ａ））。他の好ましい実施形態では、１４Ｎイオンに対するエネルギが７．７ｋｅＶ相当の場合、相互作用が１０ｋＨｚとなる距離である１５．４ｎｍ以内に窒素が停止する確率は９３．３％である（図８の（ｂ））。これらのエネルギ値により所定の範囲に生成されたＮＶセンターのペアは量子絡み合い状態を形成する。
以上、Ｃ５Ｎ４Ｈ１に関する任意の２つのＮＶセンターのペアについて説明した。当該生成確率は、Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１（ｎ＝１～５）に関するＮＶＡ（２５ａ）とＮＶＢ（２５ｂ）とのペア、ＮＶＢ（２５ｂ）とＮＶＣ（２５ｃ）とのペア、および、ＮＶＡ（２５ａ）ＮＶＣ（２５ｃ）とのペアについても同様に適用できる。
上述のとおり、実験的にも理論的にも本実施形態により、３つのＮＶセンターが、相互作用する距離に生成され、相互作用によりトリプルＮＶセンターとして機能していることが確認できた。相互作用により量子絡み合いが生成され、トリプルＮＶセンターは、３量子ビットとして機能する。
＜３量子ビット＞
ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターの量子絡み合いが量子ビットとして機能することにより、量子センサ、量子中継器、並びに、量子コンピュータに搭載可能な量子ゲート装置を構成することができる。特に、上記相互作用が強い場合、室温動作の量子コンピュータに搭載可能な量子ゲート装置として有効に機能する。本実施形態において相互作用が強い条件を、以下のように規定する。
ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターの量子絡み合いが量子ビットとして機能することにより、量子センサ、量子中継器、並びに、量子コンピュータに搭載可能な量子ゲート装置を構成することができる。特に、上記相互作用が強い場合、室温動作の量子コンピュータに搭載可能な量子ゲート装置として有効に機能する。本実施形態において相互作用が強い条件を、以下のように規定する。
コヒーレンス時間（以下、「Ｔ２」とも称する）に関し、一方のＮＶセンターをＮＶＡ（２５ａ）、他の一方のＮＶセンターをＮＶＢ（２５ｂ）と規定すると、それぞれのコヒーレンス時間をＴ２，ＮＶＡ、Ｔ２，ＮＶＢと表記する。Ｔ２，ＮＶＡの方がＴ２，ＮＶＢよりも長い（Ｔ２，ＮＶＡ＞Ｔ２，ＮＶＢ）場合、量子ゲート操作が可能なほど強い相互作用を持つ条件は１／Ｔ２，ＮＶＢとなる。逆に、Ｔ２，ＮＶＡの方がＴ２，ＮＶＢよりも短い（Ｔ２，ＮＶＡ＜Ｔ２，ＮＶＢ）場合、強い相互作用を持つ条件は１／Ｔ２，ＮＶＡとなる。したがって、上記ＮＶセンターのペアに関して量子ゲート操作が可能なほど強い相互作用を持つ条件の一般式は、１／ｍｉｎ（Ｔ２，ＮＶＡ，Ｔ２，ＮＶＢ）となる。
本実施形態により３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンターでは、量子ゲート操作が可能なほど強い相互作用を持つ条件は、１／ｍｉｎ（Ｔ２，ＮＶＡ，Ｔ２，ＮＶＢ，Ｔ２，ＮＶＣ）と表すことができる。このような相互作用を奏する条件を満たした本実施形態にかかるトリプルＮＶセンターでは、３量子ビットの量子ゲートとして機能する。
図１０は、模式的に量子ゲート構造の具体例を示す。本実施形態では、光学制御にて機能する量子ゲートを例示的に示すが、光学制御による態様に限定されるものではない。本実施形態の量子ゲート装置は好ましくは、光源部１１０、光学系制御部１２０、光学装置１３０、量子ゲート素子構造１５０を有する。量子ゲート素子構造１５０は、量子ビット素子構造１６０を備える。本実施形態では、量子ビット素子構造１６０は、３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンターを包含するダイヤモンド単結晶１０を利用する。
光源部１１０は、レーザーを生成する。光学系制御部１２０は、音響光学素子もしくは音響光学変調器を使用してレーザーをパルス化し、強度を設定する。光学装置１３０は、好ましくはミラーやレンズからなり、所定の光１４０を量子ビット素子構造１６０に照射するよう配置される。さらに、量子ゲート素子構造１５０の外部に静磁場発生装置１８０が配置されている。量ビット素子構造１６０にはＮＶセンターの電子スピン共鳴周波数の信号源１９０が電気的に接続される。量子ビット素子構造１６０の量子状態は単一光子検出器１７０で検出する。本実施形態では、単一光子検出器１７０はアバランシェフォトダイオードを用いるのが好ましいが、アバランシェフォトダイオードに限定されるものではない。好ましい実施形態では、量子ビット素子構造１６０の量子状態を光ファイバやフォトニッククリスタルを介して出力することができる。
＜量子メモリ＞
本実施形態では、図１１に示すとおり、ダイヤモンド単結晶１０にイオン注入するＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１に代えて、炭素（Ｃ）が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を包含するＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’とすることができる。少なくとも１つの炭素原子が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）であればよく、好ましくは全ての炭素原子が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）であってもよい。図１１は、図２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図１１は、図２と同様に、イオン注入後の内部の様子を模式的に示すことを優先した概略斜視図であり、各要素の縮尺比率、方位などは必ずしも正確ではない。
本実施形態では、図１１に示すとおり、ダイヤモンド単結晶１０にイオン注入するＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１に代えて、炭素（Ｃ）が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を包含するＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’とすることができる。少なくとも１つの炭素原子が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）であればよく、好ましくは全ての炭素原子が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）であってもよい。図１１は、図２にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。図１１は、図２と同様に、イオン注入後の内部の様子を模式的に示すことを優先した概略斜視図であり、各要素の縮尺比率、方位などは必ずしも正確ではない。
ダイヤモンドを構成する炭素のほとんどは、１２Ｃである。１２Ｃは核スピンを有さない。一方、１３Ｃは核スピンを有する（Ｉ＝１／２）。また、トリプルＮＶセンターを構成する窒素も質量数の異なる１４Ｎと１５Ｎの同位体が存在する。窒素の同位体の核スピンはそれぞれ、スピン量子数がＩ＝１とＩ＝１／２である。これらの核スピンは、量子状態を保持するメモリとして利用可能である（非特許文献６）。
図１１に示すとおり、１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を包含するＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’をダイヤモンド単結晶１０にイオン注入すると、１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）が近位に配置されたトリプルＮＶセンターを意図的に形成することができる。１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）もストラッグリングにより広がって分布する。例えば、Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’に対して６５ｋｅＶの注入エネルギで注入した場合、３％の炭素が３ｎｍの範囲で停止する。このように注入エネルギに依存してストラッグリングの範囲に配置された１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を利用することができる。好ましい実施形態では、近位の範囲は、隣接だけでなく第２隣接（隣接の隣接）や第３隣接の範囲まで含まれる。
１３Ｃが近位に配置されたトリプルＮＶセンターを用いることにより、ＮＶセンターが有する電子スピン状態を１３Ｃの核スピンに移すことができる。核スピンの方が、電子スピンよりもスピン状態を維持する能力が高いため、量子状態の保持が可能となる。かかる構成により、量子メモリ効果を発揮することができる。
〔実施形態２〕
実施形態１では、説明を簡易にするため１つのＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１を注入した場合を例示し、量子絡み合いにより３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンターを意図的にダイヤモンド単結晶１０中に形成することができることを示した。
実施形態１では、説明を簡易にするため１つのＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１を注入した場合を例示し、量子絡み合いにより３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンターを意図的にダイヤモンド単結晶１０中に形成することができることを示した。
＜イオン源＞
Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１は２以上の多量体として試料を用意することができる。実施形態２では、２以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１をダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する。本実施形態ではＣｓスパッタ型のイオン源を採用したが、Ｃｓスパッタ型のイオン源に限定するものではない。
Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン２１は２以上の多量体として試料を用意することができる。実施形態２では、２以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１をダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する。本実施形態ではＣｓスパッタ型のイオン源を採用したが、Ｃｓスパッタ型のイオン源に限定するものではない。
２以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１をダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する照射ポイントは、実施形態１と同様に点線源に相当する。実施形態１の場合の倍以上の量の窒素原子イオン１３、炭素原子イオン２２がダイヤモンド単結晶１０中を進むことにより、より多くの空孔１４がダイヤモンド単結晶１０内に形成される。これにより、収率も大幅に増大する。かかる態様により、３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンター以上の多量子ビットとして作用するＮＶセンターを形成することができる。
＜多量子ビット＞
２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン注入後、実施形態１と同様に、ダイヤモンド単結晶１０をアニーリングした。実施形態１と同様に本実施形態でも、８００℃で５時間、１０００℃で２時間、１２００℃で１時間など種々のアニーリングを実施し、ＮＶセンターの生成が確認できた。アニーリングによるＮＶセンターの生成傾向などは実施形態１と同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。
２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン注入後、実施形態１と同様に、ダイヤモンド単結晶１０をアニーリングした。実施形態１と同様に本実施形態でも、８００℃で５時間、１０００℃で２時間、１２００℃で１時間など種々のアニーリングを実施し、ＮＶセンターの生成が確認できた。アニーリングによるＮＶセンターの生成傾向などは実施形態１と同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。
本実施形態でも、１０００℃で２時間熱処理したダイヤモンド単結晶１０について説明する。生成されたＮＶセンターの同定などは実施形態１と同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。
実施形態１の「量子ゲート」の項で説明した通り、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターが量子ビットとして機能することにより、量子センサ、量子中継器、並びに、量子コンピュータに搭載可能な量子ゲート装置を構成することができる。量子ビットが、室温で作動する多量子ビットとして機能することにより、特に量子情報通信におけるメリットが大きい。量子状態を長距離伝送する際、伝送中に量子状態を中継（受信／復元／発信）する必要がある。５量子ビット以上であれば、エラー訂正を含む量子中継器を構成することができ、量子ネットワークの基幹技術として有効に機能する。本実施形態では、５量子ビット以上として作用する５つ以上のＮＶセンターを形成することも可能である。
コヒーレンス時間Ｔ２に関し、第１のＮＶセンターをＮＶ１、第２のＮＶセンターをＮＶ２、・・・第ｎ番目のＮＶセンターをＮＶｎ規定すると、それぞれのコヒーレンス時間をＴ２，ＮＶＡ、Ｔ２，ＮＶＢ、・・・、Ｔ２，ＮＶｎと表記する。実施形態１と同様に、多量子ビットとして機能するＮＶセンターでは、量子ゲート操作が可能なほど強い相互作用を持つ条件は、１／ｍｉｎ（Ｔ２，ＮＶＡ，Ｔ２，ＮＶＢ，・・・，Ｔ２，ＮＶｎ）と表すことができる。このような相互作用を奏する条件を満たした本実施形態にかかる多量子ビットの量子ゲートとして機能する。
図１０に関し、実施形態１では、量子ビット素子構造１６０が、３量子ビットとして機能するトリプルＮＶセンターを包含するダイヤモンド単結晶１０であった。本実施形態では、量子ビット素子構造１６０は、３量子ビットより多い多量子ビットとして機能する４以上のＮＶセンターを包含するダイヤモンド単結晶１０であるのが好ましい。他の構成は、実施形態１と同様であるため、詳細な説明は繰り返さない。本実施形態でも実施形態１と同様に、所定の光が照射された量子ビット素子構造１６０の量子状態を外部電子デバイス１７０に出力することができる。
＜量子メモリ＞
本実施形態では、ダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１に代えて、炭素（Ｃ）が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を包含する２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’とすることができる。
本実施形態では、ダイヤモンド単結晶１０にイオン注入する２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１に代えて、炭素（Ｃ）が１３Ｃ（炭素１３原子イオン２２’）を包含する２以上の多量体のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン２１’とすることができる。
１３Ｃが近位に配置されたトリプルＮＶセンター以上の多量子ビットを形成するＮＶセンターを用いることにより、ＮＶセンターが有する電子スピン状態を１３Ｃの核スピンに移すことができる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係るダイヤモンド単結晶は、少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶であって、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能する構成である。
本発明の態様１に係るダイヤモンド単結晶は、少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶であって、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能する構成である。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして機能させることができる。
本発明の態様２に係るダイヤモンド単結晶は、上記の態様１において、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で、コヒーレンス時間に応じた量子絡み合いが生成される範囲に配置される構成としてもよい。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中の所定の範囲内のＮＶセンターを量子絡み合いにより３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様３に係るダイヤモンド単結晶は、上記の態様１または２において、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物を用いて形成された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥である構成としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物を用いて形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様４に係るダイヤモンド単結晶は、上記の態様１から３のいずれかにおいて、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物を用いて形成された窒素原子イオンと空孔と、が対をなしてなる複合欠陥である構成としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物を用いて形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様５に係るダイヤモンド単結晶は、上記の態様４において、前記少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物が、１３Ｃを包含し、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が前記１３Ｃの近位に配置してなる複合欠陥である構成としてもよい。
上記の構成によれば、１３Ｃを包含する化合物を用いて形成されたＮＶセンターによる３量子ビット以上の多量子ビットの量子状態を１３Ｃの核スピンに移すことができる。
本発明の態様６に係るダイヤモンド単結晶は、上記の態様１から５のいずれかにおいて、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、１以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン（ｎは任意の自然数）またはその量体を用いて形成された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥である構成としてもよい。
上記の構成によれば、１つのＣ５Ｎ４ＨｎイオンまたはＣ５Ｎ４Ｈｎイオンの２量体以上のユニットを用いて形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様７に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶の製造方法であって、化合物をダイヤモンド単結晶に対してイオン注入するステップを有し、前記化合物が、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含し、多量子ビットとして作用する少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥をダイヤモンド単結晶内に生成させる方法である。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶にイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様８に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様７において、前記化合物が、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物である方法としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物をダイヤモンド単結晶にイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様９に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様８において、前記化合物が、１３Ｃを包含し、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を前記１３Ｃの近位に生成させる方法としてもよい。
上記の構成によれば、１３Ｃを包含する化合物を用いて形成されたＮＶセンターによる３量子ビット以上の多量子ビットの量子状態を１３Ｃの核スピンに移すことができる。
本発明の態様１０に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様７から９のいずれかにおいて、前記化合物が、１以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン（ｎは任意の自然数）またはその量体を包含する化合物である方法としてもよい。
上記の構成によれば、１つのＣ５Ｎ４ＨｎイオンまたはＣ５Ｎ４Ｈｎイオンの２量体以上のユニットをダイヤモンド単結晶にイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様１１に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様７から１０のいずれかにおいて、前記イオン注入するステップが、１ｋｅＶ以上１８０００ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギにより実施される方法としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶に１ｋｅＶ以上１８０００ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギによりイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様１２に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様７から１１のいずれかにおいて、前記イオン注入するステップが、窒素原子イオン相当で７．７ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギにより実施され、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で互いに１０ナノメートルの範囲に配置される方法としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物をダイヤモンド単結晶に窒素原子イオン相当で７．７ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギによりイオン注入することにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様１３に係るダイヤモンド単結晶の製造方法は、上記の態様７から１２のいずれかにおいて、前記イオン注入するステップに次いで、前記ダイヤモンド単結晶をアニーリングするステップを更に有し、前記アニーリングするステップが、８００℃以上１２００℃以下の温度範囲で、１時間以上１０時間以下で実施される方法としてもよい。
上記の構成によれば、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物がイオン注入されたダイヤモンド単結晶をアニーリングすることにより形成されたＮＶセンターを３量子ビット以上の多量子ビットとして室温で機能させることができる。
本発明の態様１４に係るダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子ゲート装置は、上記の態様１～６のいずれかにおいて、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターが室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして作用する量子ゲート装置として機能させることができる。
本発明の態様１５に係る量子ゲート装置は、上記の態様５において、請求項５に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ＮＶセンターによる３量子ビット以上の多量子ビットの量子状態を１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして作用する量子コンピュータとして機能させることができる。
本発明の態様１６に係るダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、上記の態様１～６のいずれかにおいて、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして作用する量子ビット素子構造として機能させることができる。
本発明の態様１７に係る量子コンピュータにおける量子ビット素子構造は、上記の態様５において、請求項５に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ＮＶセンターによる３量子ビット以上の多量子ビットの量子状態を１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして作用する量子コンピュータにおける量子ビット素子構造として機能させることができる。
本発明の態様１８に係るダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子中継器は、上記の態様１～６のいずれかにおいて、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして作用する量子中継器として機能させることができる。
本発明の態様１９に係るダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子センサは、上記の態様１～６のいずれかにおいて、請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能する構成としてもよい。
上記の構成によれば、ダイヤモンド単結晶中のＮＶセンターを室温で３量子ビット以上の多量子ビットとして作用する量子センサとして機能させることができる。
１０ ダイヤモンド単結晶
１１ レジストマスク
１３ 窒素原子イオン
１４、１４ｉ 空孔
１５ シングルＮＶセンター
２１、２１’ Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン
２２ 炭素原子イオン
２２’ 炭素１３原子イオン
２３ 水素原子イオン
２５ ＮＶセンター
１１０ 光源部
１２０ 光学系制御部
１３０ 光学装置
１５０ 量子ゲート素子構造
１６０ 量子ビット素子構造
１７０ 外部電子デバイス
１１ レジストマスク
１３ 窒素原子イオン
１４、１４ｉ 空孔
１５ シングルＮＶセンター
２１、２１’ Ｃ５Ｎ４Ｈｎイオン
２２ 炭素原子イオン
２２’ 炭素１３原子イオン
２３ 水素原子イオン
２５ ＮＶセンター
１１０ 光源部
１２０ 光学系制御部
１３０ 光学装置
１５０ 量子ゲート素子構造
１６０ 量子ビット素子構造
１７０ 外部電子デバイス
Claims (19)
- 少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶であって、
前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、量子絡み合いにより多量子ビットとして機能することを特徴とするダイヤモンド単結晶。 - 前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で、コヒーレンス時間に応じた量子絡み合いが生成される範囲に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド単結晶。
- 前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含する化合物を用いて導入された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド単結晶。
- 前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物を用いて形成された窒素原子イオンと空孔と、が対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶。
- 前記少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物が、１３Ｃを包含し、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が前記１３Ｃの近位に配置してなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項４に記載のダイヤモンド単結晶。
- 前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、１以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン（ｎは任意の自然数）またはその量体を用いて形成された窒素原子イオンと空孔とが対をなしてなる複合欠陥であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶。
- 少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を有するダイヤモンド単結晶の製造方法であって、化合物をダイヤモンド単結晶に対してイオン注入するステップを有し、前記化合物が、少なくとも３以上の窒素原子イオンを包含し、多量子ビットとして作用する少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥をダイヤモンド単結晶内に生成させることを特徴とするダイヤモンド単結晶の製造方法。
- 前記化合物が、少なくとも３以上の窒素原子イオンと１以上の炭素原子イオンとを包含する化合物であることを特徴とする請求項７に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。
- 前記化合物が、１３Ｃを包含し、前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥を前記１３Ｃの近位に生成させることを特徴とする請求項８に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。
- 前記化合物が、１以上のＣ５Ｎ４Ｈｎイオン（ｎは任意の自然数）またはその量体を包含する化合物であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。
- 前記イオン注入するステップが、１ｋｅＶ以上１８０００ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギにより実施されることを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。
- 前記イオン注入するステップが、窒素原子イオン相当で７．７ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下のイオン注入エネルギにより実施され、
前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、ダイヤモンド単結晶内で互いに１０ナノメートルの範囲に配置されることを特徴とする請求項７から１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。 - 前記イオン注入するステップに次いで、前記ダイヤモンド単結晶をアニーリングするステップを更に有し、
前記アニーリングするステップが、８００℃以上１２００℃以下の温度範囲で、１時間以上１０時間以下で実施されることを特徴とする請求項７から１２のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶の製造方法。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子ゲート装置。 - 請求項５に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能することを特徴とする請求項１４に記載の量子ゲート装置。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。 - 請求項５に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥の電子スピン状態を前記１３Ｃの核スピンに移すことにより量子状態を保持する量子メモリとして機能することを特徴とする請求項１６に記載の量子コンピュータにおける量子ビット素子構造。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子中継器。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載のダイヤモンド単結晶を備え、
前記ダイヤモンド単結晶内に形成された前記少なくとも３つの窒素－空孔複合欠陥が、室温で多量子ビットとして機能することを特徴とする量子センサ。
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|---|---|---|---|---|
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| 磯谷順一，ダイヤモンド中のNVセンターのナノ配列作製による数量子ビット量子レジスタの実現，科学研究費助成事業 研究成果報告書， ，2017年06月21日， ，課題番号 26246001 |
| 鶴本 和也， 黒岩 良太， 加納 浩輝， 関口 雄平， 小坂 英男，無磁場下での光子から炭素核スピンへの量子テレポーテーション転写，２０１８年 第６５回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］ The 65th JSAP Spring Meeting, 2018 [Extended Abstracts] ，公益社団法人応用物理学会 The Japan Society of Applied Physics |
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