WO2022118366A1 - 量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法 - Google Patents

量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法 Download PDF

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哲也 宮武
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    • G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching

Definitions

  • This disclosure relates to a quantum circuit, a quantum computer, and a method for manufacturing a quantum circuit.
  • a quantum circuit using a color center in the diamond layer is being studied. Also, a technique for forming an optical waveguide in a diamond layer for propagation of light emission in a color center is being studied.
  • An object of the present disclosure is to provide a quantum circuit, a quantum computer, and a method for manufacturing a quantum circuit capable of reducing the loss of an optical signal.
  • an optical waveguide that has a first main surface and a second main surface and is optically coupled to the color center in a diamond layer including a color center.
  • the optical waveguide has a core region including the color center and a light confinement region provided around the core region, and the refractive index of the light confinement region is lower than the refractive index of the core region.
  • the steps of forming the optical waveguide include a step of forming an inclined surface away from the color center in the diamond layer, a step of forming a reflective film on the inclined surface, and a femto on a part of the reflective film.
  • the refractive index of a part of the diamond layer is lowered.
  • the step of forming the first region on the first main surface side of the color center, and the femtosecond laser light reflected by the reflective film by irradiating the other part of the reflective film with the femtosecond laser light is the color.
  • a part of the first main surface is irradiated with femtosecond laser light, and the femtosecond laser light is focused on one side of the core region in the first direction parallel to the first main surface to condense the femtosecond laser light to the other of the diamond layer.
  • the step of forming a third region on one side of the core region by lowering the refractive index of a part of the above, and irradiating the other part of the first main surface with femtosecond laser light, the first A fourth region is formed on the other side of the core region by condensing femtosecond laser light on the other side of the core region in one direction to reduce the refractive index of the other part of the diamond layer.
  • the loss of the optical signal can be reduced.
  • FIG. 1 is a diagram (No. 1) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 2 is a diagram (No. 2) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 3 is a diagram (No. 3) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 4 is a diagram (No. 4) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 5 is a diagram (No. 5) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 6 is a diagram (No. 6) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 7 is a diagram (No. 1) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 2 is a diagram (No. 2) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • FIG. 3 is a diagram (No.
  • FIG. 8 is a diagram (No. 2) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram (No. 3) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram (No. 4) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram (No. 5) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram (No. 6) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram (No. 7) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram (No. 8) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram (No. 9) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram (No. 10) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram (11) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram (No. 12) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram (No. 13) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 20 is a diagram (No. 1) showing a method of forming a color center.
  • FIG. 21 is a diagram (No. 2) showing a method of forming a color center.
  • FIG. 22 is a diagram (No. 1) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a second embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram (No. 2) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 24 is a diagram (No. 3) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the second embodiment.
  • FIG. 25 is a diagram (No. 1) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 26 is a diagram (No. 2) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 27 is a diagram (No. 3) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 28 is a diagram (No. 4) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 29 is a diagram (No. 5) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 30 is a diagram (No. 6) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 31 is a diagram (No. 1) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 32 is a diagram (No. 2) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 33 is a diagram (No. 3) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 34 is a diagram (No. 4) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 35 is a diagram (No. 5) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 36 is a diagram (No. 6) showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • FIG. 37 is a diagram (No. 1) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a fifth embodiment.
  • FIG. 38 is a diagram (No. 2) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a fifth embodiment.
  • FIG. 39 is a diagram (No. 3) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a fifth embodiment.
  • FIG. 40 is a diagram (No. 4) showing a method for manufacturing a quantum circuit according to a fifth embodiment.
  • FIG. 41 is a diagram showing a quantum computer.
  • 1 to 6 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a reference example.
  • a diamond layer 10 formed on a base material 20 is prepared.
  • the diamond layer 10 has a second main surface 12 on the base material 20 side and a first main surface 11 on the side opposite to the second main surface 12, and includes a color center 930.
  • a part of the first main surface 11 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L is focused on one side of the color center 930 in the first direction parallel to the first main surface 11.
  • the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 933 is formed. With the alteration, the refractive index of the altered region 933 becomes lower than the refractive index of the surroundings.
  • the other part of the first main surface 11 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L is focused on the other side of the color center 930 in the first direction.
  • the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 934 is formed.
  • the refractive index of the altered region 934 becomes lower than the refractive index of the surroundings.
  • the irradiation of the femtosecond laser beam L is performed, for example, while scanning in a line shape. Therefore, as shown in FIG. 3, the altered regions 933 and 934 are formed in a line shape so as to sandwich the color center 930 between them, for example.
  • the refractive index of the region between the altered regions 933 and 934 is higher than the refractive index of the altered regions 933 and 934. Therefore, the altered regions 933 and 934 exert a light confinement effect on the region between the altered regions 933 and 934. That is, an optical waveguide 937 having a core region 936 between the alteration regions 933 and 934 and a light confinement region 935 including the alteration regions 933 and 934 is formed.
  • FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • the optical waveguide 937 formed by this reference example although it is possible to confine light in the first direction, the light confinement effect cannot be obtained in the second direction perpendicular to the first main surface 11.
  • FIG. 4 corresponds to a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG.
  • the altered regions 931 and 932 have a shape in which the second direction, which is the irradiation direction, is the longitudinal direction in the cross-sectional view from the direction in which the optical waveguide 937 extends, and the dimensions of the altered regions 931 and 932 in the first direction are set. It is difficult to make it large. Therefore, a sufficient light confinement effect cannot be obtained in the second direction.
  • the inventor of the present application came up with the following embodiment as a result of diligent studies based on such a reference example.
  • the first embodiment relates to a method for manufacturing a quantum circuit.
  • 7 to 19 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to the first embodiment. 7, FIG. 9, FIG. 11, FIG. 13, FIG. 15, FIG. 17 and FIG. 19 are cross-sectional views, and FIGS. 8, 10, 12, 14, 14, 16 and 18 are top views.
  • an optical waveguide optically coupled to the color center is formed in the diamond layer including the color center.
  • a diamond layer 10 formed on the base material 20 is prepared.
  • the base material 20 is composed of, for example, Si or SiO 2 .
  • the diamond layer 10 is composed of, for example, a single crystal diamond.
  • the diamond layer 10 has a second main surface 12 on the base material 20 side and a first main surface 11 on the side opposite to the second main surface 12, and includes a color center 30.
  • the color center 30 is, for example, a nitrogen-vacancy center (NV center) composed of nitrogen and vacancies.
  • the color center 30 is composed of a silicon-vacancy center (SiV center) composed of silicon and pores, a germanium-pore center (GeV center) composed of germanium and pores, and tin and pores. Tin-Vacancy Center (SnV Center), Lead-Vacancy Center (PbV Center) composed of lead and vacancies, or Boron-Vacancy Center (BV Center) composed of boron and vacancies May be.
  • a groove 38 separated from the color center 30 is formed in the diamond layer 10.
  • the groove 38 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the groove 38 has, for example, a side surface 38A inclined with respect to the first main surface 11 and a side surface 38B perpendicular to the first main surface 11.
  • the side surface 38B is positioned between the color center 30 and the side surface 38A.
  • the side surface 38A can be visually recognized from the side of the first main surface 11, and is formed so as to be inclined by, for example, 40 degrees to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the first main surface 11.
  • the side surface 38A is an example of an inclined surface.
  • FIG. 9 corresponds to a cross-sectional view taken along the line IX-IX in FIG.
  • a reflective film 39 that reflects the femtosecond laser beam is formed on the side surface 38A.
  • the reflective film 39 is formed on a part of the side surface 38A.
  • the reflective film 39 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the reflective film 39 is a film made of a metal such as Au or Al.
  • the thickness of the reflective film 39 is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the reflective film 39 can be formed, for example, by a lift-off method.
  • FIG. 11 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG.
  • a part of the reflective film 39 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L reflected by the reflective film 39 is applied to the first main surface of the color center 30. Focus on the 11 side.
  • the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 31 is formed.
  • Modifications of the diamond layer 10 include, for example, amorphization, carbonization and ablation. With the alteration, the refractive index of the altered region 31 becomes lower than the refractive index of the surroundings.
  • FIG. 13 corresponds to a cross-sectional view taken along line XIII-XIII in FIG.
  • the other part of the reflective film 39 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L reflected by the reflective film 39 is used as the second main component of the color center 30. Focus on the surface 12 side. As a result, the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 32 is formed. With the alteration, the refractive index of the altered region 32 becomes lower than the refractive index of the surroundings. Irradiation of the femtosecond laser beam L is performed while scanning along the optical waveguide to be formed, and the alteration region 32 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the altered region 32 has a shape in which the first direction, which is the irradiation direction, is the longitudinal direction in a cross-sectional view.
  • the altered region 32 is an example of the second region.
  • FIG. 15 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XV-XV in FIG.
  • a part of the first main surface 11 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L is focused on one side of the color center 30 in the first direction. ..
  • the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 33 is formed.
  • the refractive index of the altered region 33 becomes lower than the refractive index of the surroundings. Irradiation of the femtosecond laser beam L is performed while scanning along the optical waveguide to be formed, and the alteration region 33 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the altered region 33 has a shape in which the second direction, which is the irradiation direction, is the longitudinal direction in a cross-sectional view.
  • the altered region 33 is an example of a third region.
  • FIG. 17 corresponds to a cross-sectional view taken along line XVII-XVII in FIG.
  • the other part of the first main surface 11 is irradiated with the femtosecond laser beam L, and the femtosecond laser beam L is applied to the other side of the color center 30 in the first direction. Condensate.
  • the portion of the diamond layer 10 focused by the femtosecond laser beam L is altered, and the altered region 34 is formed.
  • the refractive index of the altered region 34 becomes lower than the refractive index of the surroundings. Irradiation of the femtosecond laser beam L is performed while scanning along the optical waveguide to be formed, and the alteration region 34 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the altered region 34 has a shape in which the second direction, which is the irradiation direction, is the longitudinal direction in a cross-sectional view.
  • the altered region 34 is an example of the fourth region.
  • FIG. 19 corresponds to a cross-sectional view taken along the XIX-XIX line in FIG.
  • An example of the irradiation conditions of the femtosecond laser beam L when forming the altered regions 31 to 34 is as follows. That is, the wavelength is 800 nm, the pulse width is 50 fs to 100 fs, the pulse energy is 50 nJ to 1000 nJ, and the repetition frequency is 250 kHz to 500 kHz.
  • the altered regions 31 to 34 are formed in a line shape so as to surround the color center 30 in a cross-sectional view, for example.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 31 to 34 is higher than the refractive index of the altered regions 31 to 34. Therefore, the altered regions 31 to 34 exert a light confinement effect on the region surrounded by the altered regions 31 to 34. That is, an optical waveguide 37 having a core region 36 surrounded by alteration regions 31 to 34 and a light confinement region 35 having alteration regions 31 to 34 is formed.
  • the quantum circuit 1 provided with the optical waveguide 37 optically coupled to the color center 30 can be manufactured.
  • the order of formation of the altered regions 31 to 34 is not particularly limited.
  • the alteration regions 31 and 32 may be formed after the alteration regions 33 and 34 are formed.
  • the altered regions 31 and 32 have a shape in which the first direction is the longitudinal direction in the cross-sectional view
  • the altered regions 33 and 34 have a shape in which the second direction is the longitudinal direction in the cross-sectional view. That is, the dimensions of the altered regions 31 and 32 in the first direction are larger than the dimensions of the second direction, and the dimensions of the altered regions 33 and 34 in the second direction are larger than the dimensions of the first direction. Therefore, the alteration regions 31 and 32 can confine the light in the core region 36 in the second direction, and the alteration regions 33 and 34 can confine the light in the core region 36 in the first direction. Therefore, the light emitted from the color center 30 can be efficiently coupled to the optical waveguide 37, and the loss of the optical signal propagating through the optical waveguide 37 can be reduced.
  • the reflective film 39 is formed at a desired position from the first direction via the reflective film 39.
  • the femtosecond laser beam L can be focused.
  • the color center 30 may be intentionally formed.
  • 20 to 21 are diagrams showing a method of forming the color center 30. 20 and 21 are cross-sectional views. As shown in FIG. 20, the pore 30X is formed by condensing a single femtosecond laser beam L on the diamond layer 10. Next, annealing is performed in a nitrogen atmosphere, and as shown in FIG. 21, an NV center in which a pore 30X and a nitrogen atom are paired is formed as a color center 30.
  • An example of annealing conditions is as follows. That is, the temperature is 1000 ° C. and the time is 3 hours.
  • the second embodiment differs from the first embodiment mainly in the arrangement of the reflective film.
  • 22 to 24 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a second embodiment. 22 is a top view, and FIGS. 23 and 24 are cross-sectional views.
  • the process up to the formation of the groove 38 is performed in the same manner as in the first embodiment (see FIGS. 8 and 9).
  • the reflective film 39 is placed on the side surface 38A, on the surface of the base material 20 exposed to the bottom of the groove 38, and on the first main surface 11 connected to the side surface 38A. To form.
  • the altered regions 31 to 34 are formed in the same manner as in the first embodiment.
  • the quantum circuit 2 provided with the optical waveguide 37 optically coupled to the color center 30 can be manufactured.
  • the reflective film 39 is also formed on the surface of the base material 20 exposed to the bottom of the groove 38 and on the first main surface 11 connected to the side surface 38A, it is formed in the thickness direction of the diamond layer 10. The range in which the alteration regions 31 and 32 can be formed can be expanded.
  • the third embodiment differs from the first embodiment mainly in the number of color centers and optical waveguides.
  • 25 to 30 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a third embodiment.
  • 25, 27, 29 and 30 are cross-sectional views, and 26 and 28 are top views.
  • two optical waveguides individually optical-coupled to the color centers are formed in the diamond layer containing the two color centers.
  • the diamond layer 10 including the color centers 30 and 40 formed on the base material 20 and formed apart in the first direction is prepared.
  • the color center 40 is, for example, an NV center, a SiV center, a GeV center, a SnV center, a PbV center, or a BV center, similarly to the color center 30.
  • a groove 38 away from the color center 30 and a groove 48 away from the color center 40 are formed in the diamond layer 10.
  • the grooves 38 and 48 are formed along the optical waveguide to be formed.
  • the grooves 38 and 48 are formed between the color center 30 and the color center 40 in the first direction
  • the groove 38 is formed on the color center 30 side of the groove 48
  • the groove 48 is formed on the color center 30 side of the groove 38. It is formed on the 40 side.
  • the groove 48 has, for example, a side surface 48A inclined with respect to the first main surface 11 and a side surface 48B perpendicular to the first main surface 11.
  • the side surface 48B is positioned between the color center 40 and the side surface 48A.
  • the side surface 48A can be visually recognized from the first main surface 11 side, and is formed so as to be inclined by, for example, 40 degrees to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the first main surface 11.
  • the side surface 48A is an example of an inclined surface.
  • FIG. 27 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXVII-XXVII in FIG.
  • the reflective film 49 that reflects the femtosecond laser beam on the side surface 38A, the side surface 48A, and the first main surface 11 connected to the side surface 38A and the side surface 48A.
  • the reflective film 49 is formed along the optical waveguide to be formed.
  • the reflective film 49 is a film made of a metal such as Au or Al.
  • the thickness of the reflective film 49 is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the reflective film 49 can be formed by, for example, a lift-off method.
  • FIG. 29 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXIX-XXIX in FIG. 28.
  • the altered regions 31 to 34 are formed in the same manner as in the first embodiment. Further, the altered regions 41 to 44 are formed in the same manner as the formation of the altered regions 31 to 34, respectively.
  • the altered regions 41 to 44 are formed in a line shape, for example, so as to surround the color center 40 in a cross-sectional view.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 41 to 44 is higher than the refractive index of the altered regions 41 to 44. Therefore, the altered regions 41 to 44 exert a light confinement effect on the region surrounded by the altered regions 41 to 44. That is, an optical waveguide 47 having a core region 46 surrounded by alteration regions 41 to 44 and a light confinement region 45 including alteration regions 41 to 44 is formed.
  • the quantum circuit 3 including the optical waveguide 37 optically coupled to the color center 30 and the optical waveguide 47 optically coupled to the color center 40 can be manufactured.
  • the order of formation of the altered regions 31 to 34 and 41 to 44 is not particularly limited.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained by the third embodiment.
  • the loss of the optical signal propagating through the optical waveguide 47 can be reduced. Further, it is easy to increase the number of qubits included in the quantum circuit 3.
  • the groove 38 and the groove 48 can be formed at the same time.
  • the reflective film may be individually formed on the side surfaces 38A and 48A, and even in this case, the reflective film can be formed on the side surface 38A and the side surface 48A at the same time.
  • the fourth embodiment differs from the third embodiment mainly in the arrangement of the groove and the reflective film.
  • 31 to 36 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fourth embodiment.
  • 31, FIG. 33, FIG. 35 and FIG. 36 are cross-sectional views, and FIGS. 32 and 34 are top views.
  • two optical waveguides individually optical-coupled to the color center are formed in the diamond layer including the two color centers.
  • a diamond layer 10 including color centers 30 and 50 formed on the base material 20 and formed apart in the first direction is prepared. Similar to the color center 30, the color center 50 is, for example, an NV center, a SiV center, a GeV center, a SnV center, a PbV center, or a BV center.
  • a groove 38 away from the color center 30 and a groove 58 away from the color center 50 are formed in the diamond layer 10.
  • the grooves 38 and 58 are formed along the optical waveguide to be formed.
  • the groove 38 is formed between the color center 30 and the color center 50 in the first direction, and the groove 58 is formed so as to be farther from the groove 38 than the color center 50.
  • the groove 58 has, for example, a side surface 58A inclined with respect to the first main surface 11 and a side surface 58B perpendicular to the first main surface 11.
  • the side surface 58B is positioned between the color center 50 and the side surface 58A.
  • the side surface 58A can be visually recognized from the side of the first main surface 11, and is formed so as to be inclined by, for example, 40 degrees to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the first main surface 11.
  • the side surface 58A is an example of an inclined surface.
  • FIG. 33 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXXIII-XXXIII in FIG.
  • a reflective film 39 that reflects the femtosecond laser beam is formed on the side surface 38A, and a reflective film 59 that reflects the femtosecond laser beam is formed on the side surface 58A.
  • the reflective film 39 is formed on a part of the side surface 38A, and the reflective film 59 is formed on a part of the side surface 58A.
  • the reflective films 39 and 59 are formed along the optical waveguide to be formed.
  • the reflective film 59 is a film made of a metal such as Au or Al.
  • the thickness of the reflective film 59 is not particularly limited, but is, for example, about 0.1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the reflective film 59 can be formed, for example, by a lift-off method.
  • the reflective films 39 and 59 can be formed at the same time.
  • FIG. 35 corresponds to a cross-sectional view taken along the line XXXV-XXXV in FIG.
  • the altered regions 31 to 34 are formed in the same manner as in the first embodiment.
  • the altered regions 51 to 54 are formed in the same manner as the formation of the altered regions 31 to 34, respectively.
  • the altered regions 51 to 54 are formed in a line shape, for example, so as to surround the color center 50 in a cross-sectional view.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 51 to 54 is higher than the refractive index of the altered regions 51 to 54. Therefore, the altered regions 51 to 54 exert a light confinement effect on the region surrounded by the altered regions 51 to 54. That is, an optical waveguide 57 having a core region 56 surrounded by alteration regions 51 to 54 and a light confinement region 55 including alteration regions 51 to 54 is formed.
  • the quantum circuit 4 including the optical waveguide 37 optically coupled to the color center 30 and the optical waveguide 57 optically coupled to the color center 50 can be manufactured.
  • the order of formation of the altered regions 31 to 34 and 51 to 54 is not particularly limited.
  • the fourth embodiment The same effect as that of the first embodiment can be obtained by the fourth embodiment.
  • the loss of the optical signal propagating through the optical waveguide 57 can be reduced. Further, it is easy to increase the number of qubits included in the quantum circuit 4.
  • the groove 38 and the groove 58 can be formed at the same time, and the reflective film 39 and the reflective film 59 can be formed at the same time.
  • the fifth embodiment differs from the first embodiment mainly in the number of color centers and optical waveguides.
  • 37 to 40 are diagrams showing a method of manufacturing a quantum circuit according to a fifth embodiment.
  • 37 to 40 are cross-sectional views. It is a figure which shows the manufacturing method of the quantum circuit which concerns on 5th Embodiment.
  • four optical waveguides individually optical-coupled to the color centers are formed in the diamond layer containing the four color centers.
  • a diamond layer 10 including color centers 30, 60, 70 and 80 formed on the substrate 20 and formed apart in the first direction is prepared.
  • the color centers 60, 70 and 80 are, for example, NV centers, SiV centers, GeV centers, SnV centers, PbV centers or BV centers.
  • the color center 30 and the color center 60 are located close to each other in the first direction, and the color center 70 and the color center 80 are located close to each other.
  • a groove 68 away from the color centers 30 and 60 and a groove 78 away from the color centers 70 and 80 are formed in the diamond layer 10.
  • the grooves 68 and 78 are formed along the optical waveguide to be formed.
  • the groove 68 is formed between the color centers 30 and 60 and the color centers 70 and 80 in the first direction
  • the groove 78 is formed so as to be farther from the groove 68 than the color centers 70 and 80.
  • the groove 68 has, for example, a side surface 68A inclined with respect to the first main surface 11 and a side surface 68B perpendicular to the first main surface 11.
  • the side surface 68B is located between the color centers 30 and 60 and the side surface 68A.
  • the side surface 68A can be visually recognized from the first main surface 11 side, and is formed so as to be inclined by, for example, 40 degrees to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the first main surface 11.
  • the groove 78 has, for example, a side surface 78A inclined with respect to the first main surface 11 and a side surface 78B perpendicular to the first main surface 11.
  • the side surface 78B is located between the color centers 70 and 80 and the side surface 78A.
  • the side surface 78A can be visually recognized from the side of the first main surface 11, and is formed so as to be inclined by, for example, 40 to 50 degrees, preferably 45 degrees with respect to the first main surface 11.
  • the sides 68A and 78A are examples of inclined surfaces.
  • a reflective film 69 that reflects the femtosecond laser beam is formed on the side surface 68A, and a reflective film 79 that reflects the femtosecond laser beam is formed on the side surface 78A.
  • the reflective film 69 is formed on a part of the side surface 68A
  • the reflective film 79 is formed on a part of the side surface 78A.
  • the reflective films 69 and 79 are formed along the optical waveguide to be formed.
  • the reflective films 69 and 79 are films made of a metal such as Au or Al.
  • the thicknesses of the reflective films 69 and 79 are not particularly limited, but are, for example, about 0.1 ⁇ m to 1.0 ⁇ m.
  • the reflective films 69 and 79 can be formed, for example, by the lift-off method. Reflective films 69 and 79 can be formed at the same time.
  • the altered regions 31 to 34 are formed in the same manner as in the first embodiment. Further, the altered regions 61 to 64, the altered regions 71 to 74, and the altered regions 81 to 84 are formed in the same manner as in the formation of the altered regions 31 to 34, respectively.
  • the altered regions 61 to 64 are formed in a line shape, for example, so as to surround the color center 60 in a cross-sectional view.
  • the altered regions 71 to 74 are formed in a line shape, for example, so as to surround the color center 70 in a cross-sectional view.
  • the altered regions 81 to 84 are formed in a line shape, for example, so as to surround the color center 80 in a cross-sectional view.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 61 to 64 is higher than the refractive index of the altered regions 61 to 64. Therefore, the altered regions 61 to 64 exert a light confinement effect on the regions surrounded by the altered regions 61 to 64. That is, an optical waveguide 67 having a core region 66 surrounded by alteration regions 61 to 64 and a light confinement region 65 including alteration regions 61 to 64 is formed.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 71 to 74 is higher than the refractive index of the altered regions 71 to 74. Therefore, the altered regions 71 to 74 exert a light confinement effect on the region surrounded by the altered regions 71 to 74. That is, an optical waveguide 77 having a core region 76 surrounded by alteration regions 71 to 74 and a light confinement region 75 including alteration regions 71 to 74 is formed.
  • the refractive index of the region surrounded by the altered regions 81 to 84 is higher than the refractive index of the altered regions 81 to 84. Therefore, the altered regions 81 to 84 exert a light confinement effect on the regions surrounded by the altered regions 81 to 84. That is, an optical waveguide 87 having a core region 86 surrounded by alteration regions 81 to 84 and a light confinement region 85 including alteration regions 81 to 84 is formed.
  • the optical waveguide 37 optically coupled to the color center 30, the optical waveguide 67 optically coupled to the color center 60, the optical waveguide 77 optically coupled to the color center 70, and the optical waveguide 80 optically coupled to the color center 80. It is possible to manufacture a quantum circuit 5 provided with an optical waveguide 87 to be formed.
  • the order of formation of the altered regions 61 to 64, 71 to 74 and 81 to 84 is not particularly limited.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained by the fifth embodiment. Further, the loss of the optical signal propagating through the optical waveguides 67, 77, 87 can also be reduced. Further, it is easy to increase the number of qubits included in the quantum circuit 5.
  • the color centers 40, 50, 60, 70 and 80 may be formed at desired positions by the methods shown in FIGS. 20 to 21.
  • the reflective film can be used as a marker to align the photodetector coupled to the optical waveguide.
  • the reflective film can be used as a marker to align the photodetector coupled to the optical waveguide.
  • the number of color centers and optical waveguides included in the quantum circuit of the present disclosure is not limited.
  • the quantum circuits 1, 2, 3, 4, and 5 according to these embodiments can be used as a quantum circuit 101, for example, by being incorporated in the quantum computer 100.
  • Quantum circuit 10 Diamond layer 11: First main surface 12: Second main surface 20: Base material 30, 40, 50, 60, 70, 80: Color centers 31 to 34, 41-44, 51-54, 61-64, 71-74, 81-84: Altered region 35, 45, 55, 65, 75, 85: Optical confinement region 36, 46, 56, 66, 76, 86: Core Region 37, 47, 57, 67, 77, 87: Optical Waveguide 38, 48, 58, 68, 78: Groove 38A, 48A, 58A, 68A, 78A: Side 39, 49, 59, 69, 79: Reflective film 100 : Quantum computer

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Abstract

量子回路の製造方法は、第１主面及び第２主面を有し、カラーセンターを含むダイヤモンド層中に、前記カラーセンターに光結合される光導波路を形成する工程を有し、前記光導波路は、前記カラーセンターを含むコア領域と、前記コア領域の周囲に設けられた光閉じ込め領域と、を有し、前記光閉じ込め領域の屈折率は、前記コア領域の屈折率よりも低く、前記光導波路を形成する工程は、前記ダイヤモンド層に、前記カラーセンターから離れた傾斜面を形成する工程と、前記傾斜面の上に反射膜を形成する工程と、前記反射膜の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第１主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第１主面側に第１領域を形成する工程と、前記反射膜の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第２主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第２主面側に第２領域を形成する工程と、前記第１主面の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１主面に平行な第１方向で前記コア領域の一方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記一方側に第３領域を形成する工程と、前記第１主面の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１方向で前記コア領域の他方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記他方側に第４領域を形成する工程と、を有する。

Description

量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法
　本開示は、量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法に関する。
　ダイヤモンド層中のカラーセンターを用いた量子回路について検討が行われている。また、カラーセンターにおける発光の伝搬のためにダイヤモンド層中に光導波路を形成する技術についても検討が行われている。
米国特許第９１５７８５９号明細書 米国特許第８８３７５３４号明細書 特表２０１３－５４４４４１号公報
Integrated waveguides and deterministically positioned nitrogen vacancy centers in diamond created by femtosecond laser writing, Optics Letters, 43(15), 3586-3589 (2018) Diamond photonics platform enabled by femtosecond laser writing, Scientific Reports 6, 35566 (2016)
　しかしながら、従来の方法で形成された光導波路では、光信号の損失が大きくなってしまう。
　本開示の目的は、光信号の損失を低減することができる量子回路、量子コンピュータ及び量子回路の製造方法を提供することにある。
　本開示の一形態によれば、第１主面及び第２主面を有し、カラーセンターを含むダイヤモンド層中に、前記カラーセンターに光結合される光導波路を形成する工程を有し、前記光導波路は、前記カラーセンターを含むコア領域と、前記コア領域の周囲に設けられた光閉じ込め領域と、を有し、前記光閉じ込め領域の屈折率は、前記コア領域の屈折率よりも低く、前記光導波路を形成する工程は、前記ダイヤモンド層に、前記カラーセンターから離れた傾斜面を形成する工程と、前記傾斜面の上に反射膜を形成する工程と、前記反射膜の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第１主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第１主面側に第１領域を形成する工程と、前記反射膜の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第２主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第２主面側に第２領域を形成する工程と、前記第１主面の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１主面に平行な第１方向で前記コア領域の一方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記一方側に第３領域を形成する工程と、前記第１主面の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１方向で前記コア領域の他方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記他方側に第４領域を形成する工程と、を有す量子回路の製造方法が提供される。
　本開示によれば、光信号の損失を低減することができる。
図１は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図２は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図３は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図４は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その４）である。 図５は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その５）である。 図６は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図（その６）である。 図７は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図８は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図９は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図１０は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その４）である。 図１１は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その５）である。 図１２は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その６）である。 図１３は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その７）である。 図１４は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その８）である。 図１５は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その９）である。 図１６は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１０）である。 図１７は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１１）である。 図１８は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１２）である。 図１９は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１３）である。 図２０は、カラーセンターを形成する方法を示す図（その１）である。 図２１は、カラーセンターを形成する方法を示す図（その２）である。 図２２は、第２実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図２３は、第２実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図２４は、第２実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図２５は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図２６は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図２７は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図２８は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その４）である。 図２９は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その５）である。 図３０は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その６）である。 図３１は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図３２は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図３３は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図３４は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その４）である。 図３５は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その５）である。 図３６は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その６）である。 図３７は、第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その１）である。 図３８は、第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その２）である。 図３９は、第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その３）である。 図４０は、第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図（その４）である。 図４１は、量子コンピュータを示す図である。
　以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
　（参考例）
　まず、参考例について説明する。図１～図６は、参考例に係る量子回路の製造方法を示す図である。
　参考例に係る量子回路の製造方法では、まず、図１に示すように、基材２０の上に形成されたダイヤモンド層１０を準備する。ダイヤモンド層１０は、基材２０側の第２主面１２と、第２主面１２とは反対側の第１主面１１とを有し、カラーセンター９３０を含む。次いで、第１主面１１の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、第１主面１１に平行な第１方向でカラーセンター９３０の一方側にフェムト秒レーザ光Ｌを集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域９３３が形成される。変質に伴い、変質領域９３３の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。
　その後、図２に示すように、第１主面１１の他の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、第１方向でカラーセンター９３０の他方側にフェムト秒レーザ光Ｌを集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域９３４が形成される。変質に伴い、変質領域９３４の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。
　なお、フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、例えば、ライン状に走査しながら行われる。このため、図３に示すように、変質領域９３３及び９３４は、例えば、間にカラーセンター９３０を挟むようにしてライン状に形成される。変質領域９３３及び９３４の間の領域の屈折率は、変質領域９３３及び９３４の屈折率よりも高い。従って、変質領域９３３及び９３４は、変質領域９３３及び９３４の間の領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域９３３及び９３４の間のコア領域９３６と、変質領域９３３及び９３４を備えた光閉じ込め領域９３５とを有する光導波路９３７が形成される。図２は、図３中のII-II線に沿った断面図に相当する。
　このようにして、カラーセンター９３０に光結合される光導波路９３７を備えた量子回路を製造することができる。
　ただし、この参考例により形成された光導波路９３７では、第１方向で光を閉じ込めることは可能であるが、第１主面１１に垂直な第２方向では光閉じ込め効果が得られない。
　第２方向でも光を閉じ込めるために、同様のフェムト秒レーザ光Ｌの照射を行うことで、図４及び図５に示すように、カラーセンター９３０の第１主面１１側に変質領域９３１を形成し、カラーセンター９３０の第２主面１２側に変質領域９３２を形成することも考えられる。図４は、図５中のIV-IV線に沿った断面図に相当する。
　しかしながら、変質領域９３１及び９３２は、光導波路９３７が延びる方向からの断面視で、照射方向である第２方向を長手方向とする形状を有し、変質領域９３１及び９３２の第１方向の寸法を大きくすることは困難である。このため、第２方向で十分な光閉じ込め効果を得ることができない。
　また、図６に示すように、ダイヤモンド層の端面にフェムト秒レーザ光Ｌを照射することも考えられる。しかしながら、端面への照射により形成できる変質領域９３８の位置には限界があり、カラーセンター９３０と端面との間の距離が大きい場合、所望の位置に変質領域を形成することができない。
　本願発明者は、このような参考例を踏まえながら鋭意検討を行った結果、下記の実施形態に想到した。
　（第１実施形態）
　次に、第１実施形態について説明する。第１実施形態は、量子回路の製造方法に関する。図７～図１９は、第１実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。図７、図９、図１１、図１３、図１５、図１７及び図１９は断面図であり、図８、図１０、図１２、図１４、図１６及び図１８は上面図である。第１実施形態では、カラーセンターを含むダイヤモンド層中に、カラーセンターに光結合される光導波路を形成する。
　第１実施形態では、まず、図７に示すように、基材２０の上に形成されたダイヤモンド層１０を準備する。基材２０は、例えばＳｉ又はＳｉＯ２から構成される。ダイヤモンド層１０は、例えば単結晶ダイヤモンドから構成される。ダイヤモンド層１０は、基材２０側の第２主面１２と、第２主面１２とは反対側の第１主面１１とを有し、カラーセンター３０を含む。カラーセンター３０は、例えば窒素と空孔とから構成された窒素－空孔センター（ＮＶセンター）である。カラーセンター３０が、ケイ素と空孔とから構成されたケイ素－空孔センター（ＳｉＶセンター）、ゲルマニウムと空孔とから構成されたゲルマニウム－空孔センター（ＧｅＶセンター）、スズと空孔とから構成されたスズ－空孔センター（ＳｎＶセンター）、鉛と空孔とから構成された鉛－空孔センター（ＰｂＶセンター）、又はホウ素と空孔とから構成されたホウ素－空孔センター（ＢＶセンター）であってもよい。
　次いで、図８及び図９に示すように、ダイヤモンド層１０に、カラーセンター３０から離れた溝３８を形成する。溝３８は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。溝３８は、例えば、第１主面１１に対して傾斜した側面３８Ａと、第１主面１１に垂直な側面３８Ｂとを有する。側面３８Ｂをカラーセンター３０と側面３８Ａとの間に位置させる。側面３８Ａは、第１主面１１側から視認でき、例えば第１主面１１に対して４０度～５０度、好ましくは４５度傾斜するように形成する。側面３８Ａは傾斜面の一例である。図９は、図８中のIX-IX線に沿った断面図に相当する。
　その後、図１０及び図１１に示すように、側面３８Ａの上にフェムト秒レーザ光を反射する反射膜３９を形成する。ここでは、側面３８Ａの一部の上に反射膜３９を形成する。反射膜３９は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。反射膜３９は、例えばＡｕ、Ａｌ等の金属からなる膜である。反射膜３９の厚さは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１．０μｍ程度である。反射膜３９は、例えばリフトオフ法により形成することができる。図１１は、図１０中のXI-XI線に沿った断面図に相当する。
　続いて、図１２及び図１３に示すように、反射膜３９の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、反射膜３９により反射されたフェムト秒レーザ光Ｌをカラーセンター３０の第１主面１１側に集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域３１が形成される。ダイヤモンド層１０の変質としては、例えばアモルファス化、カーボン化及びアブレーションが挙げられる。変質に伴い、変質領域３１の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、形成しようとする光導波路に沿って走査しながら行われ、変質領域３１は、形成しようとする光導波路に沿って形成される。変質領域３１は、断面視で、照射方向である第１方向を長手方向とする形状を有する。変質領域３１は第１領域の一例である。図１３は、図１２中のXIII-XIII線に沿った断面図に相当する。
　次いで、図１４及び図１５に示すように、反射膜３９の他の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、反射膜３９により反射されたフェムト秒レーザ光Ｌをカラーセンター３０の第２主面１２側に集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域３２が形成される。変質に伴い、変質領域３２の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、形成しようとする光導波路に沿って走査しながら行われ、変質領域３２は、形成しようとする光導波路に沿って形成される。変質領域３２は、断面視で、照射方向である第１方向を長手方向とする形状を有する。変質領域３２は第２領域の一例である。図１５は、図１４中のXV-XV線に沿った断面図に相当する。
　その後、図１６及び図１７に示すように、第１主面１１の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、第１方向でカラーセンター３０の一方側にフェムト秒レーザ光Ｌを集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域３３が形成される。変質に伴い、変質領域３３の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、形成しようとする光導波路に沿って走査しながら行われ、変質領域３３は、形成しようとする光導波路に沿って形成される。変質領域３３は、断面視で、照射方向である第２方向を長手方向とする形状を有する。変質領域３３は第３領域の一例である。図１７は、図１６中のXVII-XVII線に沿った断面図に相当する。
　続いて、図１８及び図１９に示すように、第１主面１１の他の一部にフェムト秒レーザ光Ｌを照射し、第１方向でカラーセンター３０の他方側にフェムト秒レーザ光Ｌを集光させる。この結果、ダイヤモンド層１０のフェムト秒レーザ光Ｌが集光した部分が変質し、変質領域３４が形成される。変質に伴い、変質領域３４の屈折率は周囲の屈折率よりも低くなる。フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、形成しようとする光導波路に沿って走査しながら行われ、変質領域３４は、形成しようとする光導波路に沿って形成される。変質領域３４は、断面視で、照射方向である第２方向を長手方向とする形状を有する。変質領域３４は第４領域の一例である。図１９は、図１８中のXIX-XIX線に沿った断面図に相当する。
　変質領域３１～３４を形成する際のフェムト秒レーザ光Ｌの照射条件の一例は次の通りである。すなわち、波長は８００ｎｍであり、パルス幅は５０ｆｓ～１００ｆｓであり、パルスエネルギーは５０ｎＪ～１０００ｎＪであり、繰り返し周波数は２５０ｋＨｚ～５００ｋＨｚである。
　上述のように、フェムト秒レーザ光Ｌの照射は、走査しながら行われる。このため、図１９に示すように、変質領域３１～３４は、例えば、断面視でカラーセンター３０を囲むようにしてライン状に形成される。変質領域３１～３４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域３１～３４の屈折率よりも高い。従って、変質領域３１～３４は、変質領域３１～３４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域３１～３４に囲まれたコア領域３６と、変質領域３１～３４を備えた光閉じ込め領域３５とを有する光導波路３７が形成される。
　このようにして、カラーセンター３０に光結合される光導波路３７を備えた量子回路１を製造することができる。
　なお、変質領域３１～３４の形成順序は特に限定されない。例えば、変質領域３３及び３４を形成した後に、変質領域３１及び３２を形成してもよい。
　量子回路１においては、変質領域３１及び３２が断面視で第１方向を長手方向とする形状を有し、変質領域３３及び３４が断面視で第２方向を長手方向とする形状を有する。つまり、変質領域３１及び３２の第１方向の寸法は第２方向の寸法よりも大きく、変質領域３３及び３４の第２方向の寸法は第１方向の寸法よりも大きい。従って、変質領域３１及び３２によってコア領域３６内の光を第２方向に閉じ込めることができ、変質領域３３及び３４によってコア領域３６内の光を第１方向に閉じ込めることができる。このため、カラーセンター３０からの発光を高効率に光導波路３７に結合させ、光導波路３７を通じて伝搬する光信号の損失を低減することができる。
　また、量子回路１の製造にあたっては、側面３８Ａを備えた溝３８を形成し、側面３８Ａの上に反射膜３９を形成しているため、反射膜３９を介して所望の位置に第１方向からフェムト秒レーザ光Ｌを集光させることができる。
　カラーセンター３０は、意図的に形成してもよい。図２０～図２１は、カラーセンター３０を形成する方法を示す図である。図２０及び図２１は断面図である。図２０に示すように、ダイヤモンド層１０に単発のフェムト秒レーザ光Ｌを集光することにより、空孔３０Ｘを形成する。次いで、窒素雰囲気中でアニールを行い、図２１に示すように、空孔３０Ｘと窒素原子とが対になったＮＶセンターをカラーセンター３０として形成する。アニールの条件の一例は次の通りである。すなわち、温度は１０００℃であり、時間は３時間である。
　（第２実施形態）
　次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、主に反射膜の配置の点で第１実施形態と相違する。図２２～図２４は、第２実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。図２２は上面図であり、図２３及び図２４は断面図である。
　第２実施形態では、まず、第１実施形態と同様にして、溝３８の形成までの処理を行う（図８及び図９参照）。次いで、図２２及び図２３に示すように、側面３８Ａの上と、溝３８の底に露出する基材２０の表面の上と、側面３８Ａに繋がる第１主面１１の上とに反射膜３９を形成する。
　その後、図２４に示すように、第１実施形態と同様にして、変質領域３１～３４を形成する。
　このようにして、カラーセンター３０に光結合される光導波路３７を備えた量子回路２を製造することができる。
　第２実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、反射膜３９を溝３８の底に露出する基材２０の表面の上と、側面３８Ａに繋がる第１主面１１の上とにも形成しているため、ダイヤモンド層１０の厚さ方向で変質領域３１及び３２を形成するできる範囲を拡大することができる。
　（第３実施形態）
　次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、主にカラーセンター及び光導波路の数の点で第１実施形態と相違する。図２５～図３０は、第３実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。図２５、図２７、図２９及び図３０は断面図であり、図２６及び図２８は上面図である。第３実施形態では、２つのカラーセンターを含むダイヤモンド層中に、カラーセンターに個別に光結合される２つの光導波路を形成する。
　第３実施形態では、まず、図２５に示すように、基材２０の上に形成され、第１方向で離れて形成されたカラーセンター３０及び４０を含むダイヤモンド層１０を準備する。カラーセンター４０は、カラーセンター３０と同様に、例えば、ＮＶセンター、ＳｉＶセンター、ＧｅＶセンター、ＳｎＶセンター、ＰｂＶセンター又はＢＶセンターである。
　次いで、図２６及び図２７に示すように、ダイヤモンド層１０に、カラーセンター３０から離れた溝３８及びカラーセンター４０から離れた溝４８を形成する。溝３８及び４８は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。例えば、溝３８及び４８は、第１方向でカラーセンター３０とカラーセンター４０との間に形成し、溝３８は溝４８よりもカラーセンター３０側に形成し、溝４８は溝３８よりもカラーセンター４０側に形成する。溝４８は、例えば、第１主面１１に対して傾斜した側面４８Ａと、第１主面１１に垂直な側面４８Ｂとを有する。側面４８Ｂをカラーセンター４０と側面４８Ａとの間に位置させる。側面４８Ａは、第１主面１１側から視認でき、例えば第１主面１１に対して４０度～５０度、好ましくは４５度傾斜するように形成する。側面４８Ａは傾斜面の一例である。図２７は、図２６中のXXVII-XXVII線に沿った断面図に相当する。
　その後、図２８及び図２９に示すように、側面３８Ａの上と、側面４８Ａの上と、側面３８Ａ及び側面４８Ａに繋がる第１主面１１の上とにフェムト秒レーザ光を反射する反射膜４９を形成する。反射膜４９は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。反射膜４９は、例えばＡｕ、Ａｌ等の金属からなる膜である。反射膜４９の厚さは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１．０μｍ程度である。反射膜４９は、例えばリフトオフ法により形成することができる。図２９は、図２８中のXXIX-XXIX線に沿った断面図に相当する。
　続いて、図３０に示すように、第１実施形態と同様にして、変質領域３１～３４を形成する。また、それぞれ変質領域３１～３４の形成と同様の要領により、変質領域４１～４４を形成する。変質領域４１～４４は、例えば、断面視でカラーセンター４０を囲むようにしてライン状に形成される。変質領域４１～４４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域４１～４４の屈折率よりも高い。従って、変質領域４１～４４は、変質領域４１～４４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域４１～４４に囲まれたコア領域４６と、変質領域４１～４４を備えた光閉じ込め領域４５とを有する光導波路４７が形成される。
　このようにして、カラーセンター３０に光結合される光導波路３７と、カラーセンター４０に光結合される光導波路４７とを備えた量子回路３を製造することができる。
　なお、変質領域３１～３４及び４１～４４の形成順序は特に限定されない。
　第３実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、光導波路４７を通じて伝搬する光信号の損失も低減することができる。更に、量子回路３に含まれる量子ビットの数を増加させやすい。
　また、量子回路３の製造にあたっては、溝３８と溝４８とを同時に形成することができる。また、反射膜を側面３８Ａ、４８Ａの上に個別に形成してもよく、この場合でも、側面３８Ａの上と、側面４８Ａの上とに同時に反射膜を形成することができる。
　（第４実施形態）
　次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、主に溝及び反射膜の配置の点で第３実施形態と相違する。図３１～図３６は、第４実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。図３１、図３３、図３５及び図３６は断面図であり、図３２及び図３４は上面図である。第４実施形態では、第３実施形態と同様に、２つのカラーセンターを含むダイヤモンド層中に、カラーセンターに個別に光結合される２つの光導波路を形成する。
　第４実施形態では、まず、図３１に示すように、基材２０の上に形成され、第１方向で離れて形成されたカラーセンター３０及び５０を含むダイヤモンド層１０を準備する。カラーセンター５０は、カラーセンター３０と同様に、例えば、ＮＶセンター、ＳｉＶセンター、ＧｅＶセンター、ＳｎＶセンター、ＰｂＶセンター又はＢＶセンターである。
　次いで、図３２及び図３３に示すように、ダイヤモンド層１０に、カラーセンター３０から離れた溝３８と、カラーセンター５０から離れた溝５８とを形成する。溝３８及び５８は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。例えば、溝３８は、第１方向でカラーセンター３０とカラーセンター５０との間に形成し、溝５８は、カラーセンター５０よりも溝３８から離れるように形成する。溝５８は、例えば、第１主面１１に対して傾斜した側面５８Ａと、第１主面１１に垂直な側面５８Ｂとを有する。側面５８Ｂをカラーセンター５０と側面５８Ａとの間に位置させる。側面５８Ａは、第１主面１１側から視認でき、例えば第１主面１１に対して４０度～５０度、好ましくは４５度傾斜するように形成する。側面５８Ａは傾斜面の一例である。図３３は、図３２中のXXXIII-XXXIII線に沿った断面図に相当する。
　その後、図３４及び図３５に示すように、側面３８Ａの上にフェムト秒レーザ光を反射する反射膜３９を形成し、側面５８Ａの上にフェムト秒レーザ光を反射する反射膜５９を形成する。ここでは、例えば、側面３８Ａの一部の上に反射膜３９を形成し、側面５８Ａの一部の上に反射膜５９を形成する。反射膜３９及び５９は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。反射膜５９は、例えばＡｕ、Ａｌ等の金属からなる膜である。反射膜５９の厚さは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１．０μｍ程度である。反射膜５９は、例えばリフトオフ法により形成することができる。反射膜３９及び５９は同時に形成することができる。図３５は、図３４中のXXXV-XXXV線に沿った断面図に相当する。
　続いて、図３６に示すように、第１実施形態と同様にして、変質領域３１～３４を形成する。また、それぞれ変質領域３１～３４の形成と同様の要領により、変質領域５１～５４を形成する。変質領域５１～５４は、例えば、断面視でカラーセンター５０を囲むようにしてライン状に形成される。変質領域５１～５４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域５１～５４の屈折率よりも高い。従って、変質領域５１～５４は、変質領域５１～５４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域５１～５４に囲まれたコア領域５６と、変質領域５１～５４を備えた光閉じ込め領域５５とを有する光導波路５７が形成される。
　このようにして、カラーセンター３０に光結合される光導波路３７と、カラーセンター５０に光結合される光導波路５７とを備えた量子回路４を製造することができる。
　なお、変質領域３１～３４及び５１～５４の形成順序は特に限定されない。
　第４実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、光導波路５７を通じて伝搬する光信号の損失も低減することができる。更に、量子回路４に含まれる量子ビットの数を増加させやすい。
　また、量子回路４の製造にあたっては、溝３８と溝５８とを同時に形成することができ、反射膜３９と反射膜５９とを同時に形成することができる。
　（第５実施形態）
　次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、主にカラーセンター及び光導波路の数の点で第１実施形態と相違する。図３７～図４０は、第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。図３７～図４０は断面図である。第５実施形態に係る量子回路の製造方法を示す図である。第５実施形態では、４つのカラーセンターを含むダイヤモンド層中に、カラーセンターに個別に光結合される４つの光導波路を形成する。
　第５実施形態では、まず、図３７に示すように、基材２０の上に形成され、第１方向で離れて形成されたカラーセンター３０、６０、７０及び８０を含むダイヤモンド層１０を準備する。カラーセンター６０、７０及び８０は、カラーセンター３０と同様に、例えば、ＮＶセンター、ＳｉＶセンター、ＧｅＶセンター、ＳｎＶセンター、ＰｂＶセンター又はＢＶセンターである。ここでは、第１方向で、カラーセンター３０とカラーセンター６０とが互いに近く位置し、カラーセンター７０とカラーセンター８０とが互いに近く位置することとする。
　次いで、図３８に示すように、ダイヤモンド層１０に、カラーセンター３０及び６０から離れた溝６８と、カラーセンター７０及び８０から離れた溝７８とを形成する。溝６８及び７８は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。例えば、溝６８は、第１方向でカラーセンター３０及び６０とカラーセンター７０及び８０との間に形成し、溝７８は、カラーセンター７０及び８０よりも溝６８から離れるように形成する。溝６８は、例えば、第１主面１１に対して傾斜した側面６８Ａと、第１主面１１に垂直な側面６８Ｂとを有する。側面６８Ｂをカラーセンター３０及び６０と側面６８Ａとの間に位置させる。側面６８Ａは、第１主面１１側から視認でき、例えば第１主面１１に対して４０度～５０度、好ましくは４５度傾斜するように形成する。溝７８は、例えば、第１主面１１に対して傾斜した側面７８Ａと、第１主面１１に垂直な側面７８Ｂとを有する。側面７８Ｂをカラーセンター７０及び８０と側面７８Ａとの間に位置させる。側面７８Ａは、第１主面１１側から視認でき、例えば第１主面１１に対して４０度～５０度、好ましくは４５度傾斜するように形成する。側面６８Ａ及び７８Ａは傾斜面の一例である。
　その後、図３９に示すように、側面６８Ａの上にフェムト秒レーザ光を反射する反射膜６９を形成し、側面７８Ａの上にフェムト秒レーザ光を反射する反射膜７９を形成する。ここでは、例えば、側面６８Ａの一部の上に反射膜６９を形成し、側面７８Ａの一部の上に反射膜７９を形成する。反射膜６９及び７９は、形成しようとする光導波路に沿って形成する。反射膜６９及び７９は、例えばＡｕ、Ａｌ等の金属からなる膜である。反射膜６９及び７９の厚さは特に限定されないが、例えば０．１μｍ～１．０μｍ程度である。反射膜６９及び７９は、例えばリフトオフ法により形成することができる。反射膜６９及び７９は同時に形成することができる。
　続いて、図４０に示すように、第１実施形態と同様にして、変質領域３１～３４を形成する。また、それぞれ変質領域３１～３４の形成と同様の要領により、変質領域６１～６４と、変質領域７１～７４と、変質領域８１～８４とを形成する。変質領域６１～６４は、例えば、断面視でカラーセンター６０を囲むようにしてライン状に形成される。変質領域７１～７４は、例えば、断面視でカラーセンター７０を囲むようにしてライン状に形成される。変質領域８１～８４は、例えば、断面視でカラーセンター８０を囲むようにしてライン状に形成される。
　変質領域６１～６４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域６１～６４の屈折率よりも高い。従って、変質領域６１～６４は、変質領域６１～６４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域６１～６４に囲まれたコア領域６６と、変質領域６１～６４を備えた光閉じ込め領域６５とを有する光導波路６７が形成される。
　変質領域７１～７４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域７１～７４の屈折率よりも高い。従って、変質領域７１～７４は、変質領域７１～７４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域７１～７４に囲まれたコア領域７６と、変質領域７１～７４を備えた光閉じ込め領域７５とを有する光導波路７７が形成される。
　変質領域８１～８４に囲まれた領域の屈折率は、変質領域８１～８４の屈折率よりも高い。従って、変質領域８１～８４は、変質領域８１～８４に囲まれた領域に対して光閉じ込め効果を奏する。つまり、変質領域８１～８４に囲まれたコア領域８６と、変質領域８１～８４を備えた光閉じ込め領域８５とを有する光導波路８７が形成される。
　このようにして、カラーセンター３０に光結合される光導波路３７と、カラーセンター６０に光結合される光導波路６７と、カラーセンター７０に光結合される光導波路７７と、カラーセンター８０に光結合される光導波路８７と、を備えた量子回路５を製造することができる。
　なお、変質領域６１～６４、７１～７４及び８１～８４の形成順序は特に限定されない。
　第５実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、光導波路６７、７７、８７を通じて伝搬する光信号の損失も低減することができる。更に、量子回路５に含まれる量子ビットの数を増加させやすい。
　第３～第５実施形態において、カラーセンター４０、５０、６０、７０及び８０を、図２０～図２１に示す方法で所望の位置に形成してもよい。
　各実施形態において、反射膜を目印として用いて、光導波路に結合する光検出器の位置合わせを行うことができる。特に、光導波路が延びる方向において、光導波路の終端の位置と反射膜の終端の位置とを一致させておくことで、光検出器を光導波路に高効率で結合させやすい。
　本開示の量子回路に含まれるカラーセンター及び光導波路の数は限定されない。
　図４１に示すように、これら実施形態に係る量子回路１、２、３、４、５は、例えば、量子回路１０１として、量子コンピュータ１００に内蔵させて用いることができる。
　以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
　１、２、３、４、５：量子回路
　１０：ダイヤモンド層
　１１：第１主面
　１２：第２主面
　２０：基材
　３０、４０、５０、６０、７０、８０：カラーセンター
　３１～３４、４１～４４、５１～５４、６１～６４、７１～７４、８１～８４：変質領域
　３５、４５、５５、６５、７５、８５：光閉じ込め領域
　３６、４６、５６、６６、７６、８６：コア領域
　３７、４７、５７、６７、７７、８７：光導波路
　３８、４８、５８、６８、７８：溝
　３８Ａ、４８Ａ、５８Ａ、６８Ａ、７８Ａ：側面
　３９、４９、５９、６９、７９：反射膜
　１００：量子コンピュータ

Claims (11)

  1. 　第１主面及び第２主面を有し、カラーセンターを含むダイヤモンド層中に、前記カラーセンターに光結合される光導波路を形成する工程を有し、
    　前記光導波路は、
    　前記カラーセンターを含むコア領域と、
    　前記コア領域の周囲に設けられた光閉じ込め領域と、
    　を有し、
    　前記光閉じ込め領域の屈折率は、前記コア領域の屈折率よりも低く、
    　前記光導波路を形成する工程は、
    　前記ダイヤモンド層に、前記カラーセンターから離れた傾斜面を備えた溝を形成する工程と、
    　前記傾斜面の上に反射膜を形成する工程と、
    　前記反射膜の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第１主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第１主面側に第１領域を形成する工程と、
    　前記反射膜の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記反射膜により反射されたフェムト秒レーザ光を前記カラーセンターの前記第２主面側に集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記カラーセンターの前記第２主面側に第２領域を形成する工程と、
    　前記第１主面の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１主面に平行な第１方向で前記コア領域の一方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記一方側に第３領域を形成する工程と、
    　前記第１主面の他の一部にフェムト秒レーザ光を照射し、前記第１方向で前記コア領域の他方側にフェムト秒レーザ光を集光させて前記ダイヤモンド層の他の一部の屈折率を低下させることで、前記コア領域の前記他方側に第４領域を形成する工程と、
    　を有することを特徴とする量子回路の製造方法。
  2. 　前記第１領域及び前記第２領域の前記第１方向の寸法は、前記第１主面に垂直な第２方向の寸法よりも大きく、
    　前記第３領域及び前記第４領域の前記第２方向の寸法は、前記第１方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の量子回路の製造方法。
  3. 　前記カラーセンターは、窒素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛又はホウ素と、空孔とから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子回路の製造方法。
  4. 　前記ダイヤモンド層は、前記カラーセンターを複数含み、
    　複数の前記カラーセンターに対して、共通の前記反射膜を用いて前記第１領域及び前記第２領域を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子回路の製造方法。
  5. 　前記ダイヤモンド層は、前記カラーセンターを複数含み、
    　前記カラーセンター毎に異なる前記反射膜を用いて前記第１領域及び前記第２領域を形成することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子回路の製造方法。
  6. 　複数の前記カラーセンターの間で、前記第１主面からの距離が相違していることを特徴とする請求項４又は５に記載の量子回路の製造方法。
  7. 　第１主面及び第２主面を有するダイヤモンド層中のカラーセンターと、
    　前記ダイヤモンド層中に形成され、前記カラーセンターに光結合された光導波路と、
    　を有し、
    　前記光導波路は、
    　前記カラーセンターを含むコア領域と、
    　前記コア領域の周囲に設けられた光閉じ込め領域と、
    　を有し、
    　前記光閉じ込め領域の屈折率は、前記コア領域の屈折率よりも低く、
    　前記光閉じ込め領域は、
    　前記コア領域の前記第１主面側に設けられた第１領域と、
    　前記コア領域の前記第２主面側に設けられた第２領域と、
    　前記第１主面に平行な第１方向で前記コア領域の一方側に設けられた第３領域と、
    　前記第１方向で前記コア領域の他方側に設けられた第４領域と、
    　を有し、
    　前記第１領域及び前記第２領域の前記第１方向の寸法は、前記第１主面に垂直な第２方向の寸法よりも大きく、
    　前記第３領域及び前記第４領域の前記第２方向の寸法は、前記第１方向の寸法よりも大きいことを特徴とする量子回路。
  8. 　前記カラーセンターは、窒素、ケイ素、ゲルマニウム、スズ、鉛又はホウ素と、空孔とから構成されることを特徴とする請求項７に記載の量子回路。
  9. 　前記ダイヤモンド層は、前記カラーセンターを複数含むことを特徴とする請求項７又は８に記載の量子回路。
  10. 　複数の前記カラーセンターの間で、前記第１主面からの距離が相違していることを特徴とする請求項９に記載の量子回路。
  11. 　請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の量子回路を含むことを特徴とする量子コンピュータ。
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