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ハイブリッド量子ニュース
新 学 術 領 域 ハイブリッド量 子 科 学 ニュースレタ ー

Scientific Research on Innovative Areas
Science of Hybrid Quantum Systems
Newsletter

HQ Interview
役割も目的もハイブリッドしよう。
NTT物性科学基礎研究所 齊藤志郎×角柳孝輔×松崎雄一郎×樋田啓

Research Highlights□量子テレポーテーション転写に成功□分子スケールの電子伝導とテラヘルツダイナミクス

Hot Topics□フォノニクスによるフォノン制御技術の開拓□トポロジカル絶縁体の量子伝導□半導体ダイオードにおける零次元状態を介した共鳴ツェナートンネル□構造欠陥による単層グラフェンのフォノン制御とその応用□グラフェンのひずみ効果の解明と電気伝導の制御□NV中心における単一スピン・光子・電荷の電気的制御□「ナノカーボン構造の作り方・その極意と応用」勉強会を開催しました□「ハイブリッド量子科学」セミナー

Science of Hybrid
Quantum Systems

HQ Interview

松崎雄一郎

樋田啓

齊藤志郎

角柳孝輔

NTT物性科学基礎研究所
量子電子物性研究部

役割も目的もハイブリッドしよう。
今回は神 奈川県 厚 木 市にあるN T T 物 性 科 学 基 礎 研 究 所を訪ね、齊 藤
志郎特別研究員、角柳孝輔主任研究員、松崎雄一郎研究主任、および
樋 田 啓 研 究 員に、座 談 会 形 式で研 究の狙いや最 近の成 果についてお話いただきました。松崎氏は理論班の研究分担者を務めており、
また齊藤
氏、角柳氏の２名は電荷・スピン班の連携研究者としてハイブリッド量子科
学の研 究プロジェクトに参 画しています。若 手 4 人のみなさんは物 理を基礎としながらも、長年超伝導量子ビットのハイブリッドに取り組んできた齊藤
氏、角柳氏、理論を担当する松崎氏、学際的な関心を持ち学生時代からハイブリッドに親しんできたという樋田氏と、まさに ハイブリッド な顔ぶれです。今 回は特に、超 伝 導 量 子ビット関 連の進 展についてお聞きしました。

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HQ Interview

超伝導量子ビットのハイブリッドの特徴は？

ピンを介することにより光に転写できるため、情報を光通信のネットワークに乗せることが可能になります。な齊藤：私はNTT物性科学基礎研究所で超伝導量子ビッ

お超伝導量子ビットにはいくつか種類がありますが、わトの研究が始まったころからこの研究に携わってきまし

れわれは中でも磁束量子ビットを使っており、電流が作た。超伝導は抵抗値が０であるため、回路に電流を流す

る磁場と電子スピンが相互作用しやすいのが特徴です。

と、一方向に流れる状態をずっと保つことができます。
これは量子情報にとっては大きな利点で、右回り／左回りの量子状態を１量子ビットとして扱うことで、量子計算へつながります。しかし超伝導を使った量子ビットは人工的に作られた構造なので、電子スピンや核スピンのような天然に存在する物理系と比べると、どうしても状態を維持できる「コヒーレンス時間」が短いという問題がありました。
一方、自由に設計できる超伝導量子ビットは、なんといっても操作性・拡張性に非常に優れています。そこ
で寿命の面では天然の材料を活かし、他の系と相互作用したり配線したりするのには超伝導量子ビットを用いて、“いいとこ取り”のハイブリッド系を考えました。まずはダイヤモンド中の複合欠陥である「NVセンター」

実験の目標は量子コンピュータですか？

が持つ電子スピンと、超伝導量子ビットを組み合わせ、その間で量子状態を保つことに成功しました。
この他、NVセンターと超伝導量子ビットに光を組み合わせた、3つのハイブリッドも有望であると考えています。量子情報を取り扱うために超伝導量子ビット、情報を保持する量子メモリーとしてダイヤモンド中の電子スピンを使います。電子スピンと光は実は相性がよいた
め、電子スピンを介して──つまり、トランスデューサ

樋田：私は超高感度センサーへの応用に取り組んでいます。齊藤さんの実験とちょうど逆に、超伝導回路をセンサーとして使って、電子スピンを検出しようというのが私の実験です。実験に使う素子や構成もほぼ同じで、超伝導回路にダイヤモンドなどのスピンを含む試料を近づけることにより、どういうスピンがいくつあり、したがとして使うことにより──超伝導量子ビット、電子スピってどういう原子がどこにいるかということを全部調べ

ン、光の間で量子情報をやり取りします。超伝導量子ビられるようなセンサーとして使うことができます。スピットが扱うのは周波数の低いマイクロ波ですが、電子スンは材料の性質を表すため、スピン検出によって材料を知ることができるわけです。
私は学生のときから、当時の専門だった半導体と、超伝導のハイブリッドに取り組んでいましたが、研究所に入って初めてスピンを扱うようになりました。これまでのスピン検出の実験は、たくさんのスピンを大きな箱の中に用意しておいて測るやり方が主流でしたが、超伝導回路はスピンとの結合がすごく強いため、数十ミクロン
立方程度の試料さえあれば、中にあるスピンを調べられるようになりつつあります。現在、1,000個以下ぐらいのスピンを読み込むのに成功しています。

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HQ Interview

理論家はどのように貢献しているのでしょうか？

は0.2ミリ平方ぐらいのサイズなので、肉眼でも小さな点ぐらいのものがあると認めることができます。この量

松崎：僕は学生時代から「シュレディンガーの猫（重ね子ビット集団をコヒーレントに結合させることに成功し合わせ）」状態を量子コンピュータだけでなくセンシン

ました。これは、重ね合わせ状態ではないのですが、数グにも使えないかということにずっと興味を持っていまでは世界最大のデバイスであり、将来は量子センサーとした。重ね合わせ状態を使った量子センサーは、原理的して働く可能性があります。

に非常に高い感度を持つものの、非常にノイズに弱いとこのような例を含めて、超伝導量子ビットには様々ないう問題が知られています。そこで学生時代に、ノイズが応用の可能性があります。その他にも、たとえば量子力

あっても重ね合わせ状態を守り、古典限界を超えた超高感度のセンサーを実現できるプロトコルを提案しました。ただしこれは抽象的な理論であって、ノイズのみに対しての解決策を示すものであり、また実現方法についても、どういうデバイスのどんな状態をどう操作すればいいのかは示学の基礎に関わるような実験も可能になってきます。わ
れわれが暮らしている世界の中には、猫の重ね合わせ状
態は現れていませんよね？

電子1個なら量子力学のルールに従うけれども、もし1,000個以上の大きさになったら従わないのならば、1,000量子ビット以上の量子コンピュータはできないということになります──もちろ

されていません。そこでこの宿題に研究所に入ってから取ん、われわれはみんなできると思っているわけですけれり組みました。その解決策の1つが樋田さんの実験されていども（笑）。では量子力学の限界はどこまでなのか、こるような超伝導回路と電子スピン集団を使うこと、そして2つれを確かめる一例として、毎秒1兆個の電子が流れる電

めが、マイクロ波光子と超伝導量子ビットの結合系を使うア流において量子重ね合わせが実際に成り立っているのかイデアで、これは近年角柳さんと共同研究をしています。

どうかを、超伝導量子ビットを使って調べるといった実験も行っています。

量子的な振る舞いはミクロな世界のものでは？
「のび代」が期待できそうな課題
角柳：今、実際に扱っているデバイスの一つは、超伝導はありますか？

量子ビットを4,300個並べたものです。量子ビット集団
齊藤：私の実験では、超伝導磁束量子ビットと電子スピンを相互作用させるために、たくさんの電子スピンを用
いて結合を強くする手法を使っているのですが、われわ
れが量子メモリーに対して期待するような長いコヒーレ
ンス時間を保てないことがわかりました。電子スピン1つなら寿命が長いのですが、集団だとスピン間の相互作用を起こしてしまうことなどが原因で、状態が壊れてしまうのです。そこで濃度を落とすなどして電子スピンの4

HQ Interview

質を向上させ、量子メモリーとして使えるような寿命のを量子センサーに使うということと、量子計算に使うこ実現を目指しています。

ととを、これまではやはり切り離して考えることが多かったのですが、両方同時に実現したらどんな世界が拓け

樋田：私の場合は、現在センサーは電子スピン1,000個程度の感度ですが、10個、1個とどんどん少なくしても測れるように感度を上げていく方向が考えられます。もう1つは方法に関わることで、今は測定したい試料の上にひとつのセンサーを置いて感知させているのですが、センシングする量子ビットをたくさん作って碁盤目状に並べ、1つのカメラのように使って、この上に試料をぺたっと置いて測定する、という新しい応用を考えていまるかということを、実験とともに理論で詰めていきたいと思います。たとえば4,300個の一部をセンサーとして使って材料を読み取り、その後読み取った情報を高速で量子計算することで、高効率な情報処理を実現する……
といった展開が考えられます。このようなコンセプトのハイブリッド化、特に量子センサーと量子計算を行き来するハイブリッド化で、先駆けとなるような研究ができればと考えています。

す。こうすればパシャっと1回測定することによって、どこにどういう原子がいるかという分布マップが一度に取得できるのではないかと期待しています。

角柳：4,300個の量子ビットの集団をコヒーレントに結合させることには成功しているのですけれども、超伝導
量子ビットは人工的に作ったものなので1つ1つにまだ

松崎：これまで材料をハイブリッドするという取り組みを行ってきたわけですけれども、これからのハイブリッ
ドとして僕は「コンセプトのハイブリッド」に興味を持っています。たとえば量子コンピュータではすごく頻繁にエラーが起こるので、誤り訂正というやり方でどんどん直しながら計算しようという手法があるのですけれども、実はこれが量子センサーに使えることが発見されて、最近注目を集めています。これは、センサーと量子計算の垣根がだんだん低くなり、統合していく様子が見

まだばらつきがあります。この欠点を克服してばらつきを抑えたり、もしくは量子ビット1つずつの相互作用をもっと大きくしてばらつきが目立たないようにしたりして、筋のいいデバイスに育てていく必要があります。このような新しい量子ビットの集団が可能になれば、重ね合わせ状態にある全体で1つの寿命の長い量子ビットとして量子センサーに使ったり、数多くの量子ビットの集
まりとして量子計算を行ったりというように、可能性がいっそう拓けてきますね。

え始めているものと言えるでしょう。
われわれの研究所でも、4,300個の超伝導量子ビット

取材・文：池谷瑠絵（情報・システム研究機構）

5Research Highlights

研究成果 から

量子テレポーテーション転写に成功〜光子の量子状態をダイヤモンドに保存、量子通信に新展開〜
横浜国立大学大学院工学研究院の小坂英男教授ともつれを用意する必要があります。これには物質に内Stuttgart大学（ドイツ）のグループは、量子通信に在する量子もつれを利用します。原子を構成する電子

用いる光子を量子メモリーとなるダイヤモンド中に量と核子のスピンは超微細相互作用という量子もつれを子テレポーテーションの原理で転写して長時間保存導く力でつながっています。我々はマイクロ波やラジする新原理の実証に、世界で初めて成功しました。

オ波でこの量子もつれを純粋化することから始めました。次にこの量子もつれを種とし、先の論文（Hideo

今回の成功は、核子と量子もつれ状態にある電子に光子を

Kosaka, et. al., Phys. Rev. Lett., 114, 053603

吸収させるだけで、直接作用しない核子に光子の量子状態を(2015)）で実証した吸収による量子もつれ検出の応用で転写し、長時間保存可能なことを示す画期的な発見です。

光子の量子状態を核子に転写することに成功しました。

今回得られた結果は、量子中継の基本原理である量子テ
レポーテーションを極めて単純な原理で実現し、光子の今回実証に成功した光子から核子への量子テレポーテー

量子状態を直接は届かない遥か遠方に高速かつ確実に再ション転写の動作原理を図に示します。あらかじめ電

生かつ長時間保存できることを示唆するもので、物理法

子と核子を量子もつれ状態に準備しておきます。本実験

則で絶対的な安全性が保証された量子通信網の飛躍的ではこれをマイクロ波やラジオ波の照射で実現していま

長距離化・高信頼化に道を開くものと期待されます。

す。その後、光子を電子に衝突（吸収）させます。その際に、光子と電子が特定の量子もつれ状態にあることを量子テレポーテーションにはあらかじめ原子内に量子検出した際に、光子の量子状態が核子に転写されます。
横浜国立大学教授

小坂英男

図：ダイヤモンド内の量子もつれを利用した量子テレポーテーション。
あらか
じめ電子と核子を量子もつれ状態とし、その後に衝突した光子が電子を特定の軌道に励起した際、光子の量子状態は瞬時に核子に転写される。

掲載論文：
Sen Yang, Ya Wang, Thai Hien Tran, S. Ali Momenzadeh, M. Markham, D. J.Twitchen, Rainer Stohr, Philipp Neumann,
Hideo Kosaka, and Jorg Wrachtrup
High ﬁdelity transfer and storage of photon states in a single nuclear spin
Nature Photonics (2016), (doi:10.1038/nphoton.2016.103).
ニュースリリース：http://www.ynu.ac.jp/hus/koho/16102/detail.html
6Research Highlights

分子スケールの電子伝導とテラヘルツダイナミクス
我々は、電子を０次元的に完全に閉じ込めることができ

右図に単一C60分子を活性層とするトランジスタのる単一分子を活性層とする極限ナノトランジスタにつクーロン安定化ダイアグラムを示します。この試料

いて、テラヘルツ（THz）電磁波を用いて量子伝導のに波長119μmのレーザ光を照射したところ、通常

解明と制御、応用に関する研究を行っています。一般の量子準位を経由したトンネル伝導に加えて、そのに、THz電磁波の波長は100μm程度あり、1nm以下の上下に光子エネルギー10meVの整数倍だけ離れた単一分子とは相互作用が極めて小さいという問題がありところに新しい伝導チャネルが形成されることを見ます。我々は、単一分子トランジスタ構造のソース・ド

いだしました[1]。これは、分子内の量子準位が強レイン電極をTHzアンテナとして用いることにより、回

いTHz電界に揺さぶられて、フォトンサイドバンド

折限界を10万倍も越えて、THz電磁波と単一C60フラが形成されていることを意味しています。このことーレン分子を強く相互作用させることに成功しました。

は、ナノギャップ電極を用いることにより電磁波の電界を10万倍も増強できること、さらに強いTHz電
界で電子の伝導を制御できることを示しています。
東京大学生産技術研究所

教授

平川一彦

図は、
単一分子とテラヘルツ電磁波の相互作用。左図は、単一分子トランジスタ構造。右図は、テラヘルツ電磁波を照射しないとき（左）と照射したとき（右）の単一C60分子トランジスタのクーロン安定化ダイアグラム。

[1] K. Yoshida, K. Shibata, and K. Hirakawa, Phys. Rev. Lett. 115, 138302 (2015).

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Hot Topics

フォノニクスによるフォノン制御技術の開拓
フォノングループでは、結晶格子および機械構造の振動を制御する技術を開拓し、フォノンを介した異なる物理系間での量子状態相互変換や固体系のフォノン場・輸送制御の実現を目指した研究を進めています。
東 京 大 学 生 産 技 術 研 究 所 の 野 村 研 究 室 で は 、最 も 微 細 加 工 技 術 が 進 展 し て い

RESEARCH

る シ リ コ ン を 材 料 に 用 い て 、フ ォ ノ ニ ッ ク 結 晶 と よ ば れ る フ ォ ノ ン に 対 す る 人 工 周 期
ナ ノ 構 造 を 形 成 す る こ と で 、フ ォ ノ ン の 状 態 密 度 制 御 と 伝 搬 制 御 を 行 っ て い ま す 。
電 子 が 結 晶 格 子 の 周 期 ポ テ ン シ ャ ル を 感 じ て バ ンド を 形 成 し て 輸 送 特 性 が 決 定 さ れ る よ うに 、フ ォノ ニ ッ ク 結 晶 で は 人 工 周 期 構 造 うまく 設 計 し て フ ォノン の 輸 送 特 性 や 状 態 密 度 を 制
御 す る こ と が 可 能 で す [ 1 ] 。固 体 に は 必 ず フォノン が 存 在 す る た め 、フォノニ ク ス に よ る フォノン
制 御 技 術 の 開 拓 は 、ハ イ ブ リッド 量 子 科 学 を 含 む 広 範 な 研 究 分 野 に 恩 恵 を も た ら す と 期 待 さ れ ま す 。

これまでに、フォノニック結 晶 中 のフォノン輸 送シミュレータを開 発し、フォノニクスを使うと「 穴をあけると熱が通りやすくなる」というような直 観に反 する物 理が可 能になることなどを理 論 的に示してきました [ 2 ] 。フォトングル ープ の 平 川
教 授と連 携し、実 現にむけた実 験を開 始しています。また、フォノンのもつ波 動 性に基 づいた熱 伝 導 制 御に世 界で初めて成 功 するなど、フォノニクス分 野のフロンティアを開 拓しています。フォノンを主 役として用いるほかにも、固 体 ハイブリッ
ド量 子 系に 要 請される温 度 条 件を緩 和 するなど 、アシ ス
ト的な役 割も期 待できます 。フォノニクスはまだ 開 拓が始まったばかりの 若 い 分 野 で すが 、その 取り組 みは 着 実に
関 心を集 めてきて おり[ 3 ] 、今 世 紀 の 重 要な科 学 分 野に成 長 するのではないかと期 待して 研 究を進 めて います 。
東京大学生産技術研究所 准教授 野村 政宏[1] R. Anufriev and M. Nomura, Reduction of thermal conductance in two-dimensional phononic crystals by coherent
phonon scattering, Phys. Rev. B 93 045410 (2016).
[2] R. Anufriev and M. Nomura, Thermal conductance boost in phononic crystal nanostructures, Phys. Rev. B. 91,
245417 (2015).
[3] 図解：応用物理学会の未来予測, 応用物理 vol. 84, no. 8, P. 727 (2015).

トポロジカル絶縁体の量子伝導
我 々 の 研 究 グ ル ー プ で は 、電 子 スピンと 軌 道 運 動 の 相 互 作 用 を 用 い た 量 子 エレクトロ ニクス の 構 築 を目 的

RESEARCHとし て 研 究 を おこなって いま す 。スピン ー 軌 道 相 互 作 用 が 支 配 的 な 効 果 を 示 す 材 料 とし て 、３次 元トポ ロジ カル 絶 縁 体 と 呼 ば れ る 物 質 群 に 着 目し 、そ の 電 気 伝 導 特 性 に 関 す る 研 究 に 取り組 ん で い ま す 。３次 元トポ ロジ
カ ル 絶 縁 体 は 、試 料 内 部 の バ ル ク 部 分 は 絶 縁 体 で あ るに も 関 わらず 、試 料 表 面 にグ ラ フェン のような 線 形 分
散 関 係を 持 つ 表 面 状 態 が 現 れ るの が 特 徴 で す 。こ の た め 、表 面 電 子 の 相 対 論 的 効 果 に 起 因 す る新し い 電 磁 気 現 象が 期 待 され て い ま す 。３次 元トポ ロジ カ ル 絶 縁 体 とし て 知られ て い る 具 体 的 な 物 質 に は 、S b 2 T e 3 や B i 2 S e 3 が ありま す 。
図１は 分 子 線 エピタキ シ ー 法 により成 長し た C rドー プ ( B i , S b ) 2 T e 3 薄 膜 を ホ ー ル バ ー 形 状 に 加 工し た 試 料 の 写 真 で す 。こ の
試 料 で は 、磁 性 元 素 で あ る C r と 電 子 の 間 の 交 換 相 互 作 用 に よって 表 面 状 態 に も エ ネ ル
ギ ー ギ ャッ プ が 開 き 、ホ ー ル 抵 抗 値 が h / e 2 に 量 子
化 さ れ る 量 子 異 常 ホ ー ル 効 果（ 図 ２ ）が 観 測 さ れ
ま す 。ゼ ロ 磁 場 で も ホ ー ル 抵 抗 が 高 い 精 度 で 量 子
化 す る た め 、抵 抗 標 準 とし て 応 用 で き る 可 能 性 があ り ま す 。抵 抗 標 準 の 実 現 を 目 指 し 、デ バ イ ス 構
造 や 膜 構 造 を 工 夫 す る こ と に よ っ て 、量 子 異 常 ホ
ー ル 効 果 の 安 定 性 を 高 め ることを 試 み て い ま す 。
理化学研究所 専任研究員 川村 稔
図１
：Crドープ３次元トポロジカ
ル絶縁体薄膜を用いて作製したホールバー型試料の写真。

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図2：磁性トポロジカル絶縁体におけるホール抵抗の量子化現象。

Hot Topics

半導体ダイオードにおける零次元状態を介した共鳴ツェナートンネル
我 々 は 、量 子 輸 送 シ ミュレ ー シ ョン を 中 心 に 、理 論 的 な 研 究 を 行 な っ て い ま す 。最 近 、英 国 ノッ テ

RESEARCH

ィ ン ガ ム 大 学 の パ タ ネ 教 授 、イ ー ブ ス 教 授 の グ ル ー プ と 共 同 研 究 を 行 い 、半 導 体 共 鳴ト ン ネ ル ダ
イ オ ード に お い て 、禁 止 帯 内 に 存 在 す る 零 次 元 状 態 の 磁 気ト ン ネ ル 分 光 測 定 に 成 功 し まし た [ 1 ] 。
省電力トンネルトランジスタの実現に向けて、ツェナートンネルの理解が望まれています。また、禁止帯内に存在する局在準位を介したツェナートンネルを利用した量子情報処理デバイスも提案されています。我々は、磁気トンネル分光法を用いて共鳴トンネルダイ
オードにおける局在状態を調べました。磁気トンネル分光法は、固体内の局在準位に捉えられた電子の波動関数振幅を測定する手法です。
窒 素 原 子を含む狭 い 禁 止 帯 幅 の 半 導 体（ I n ( A s N ) ）を中 央 に 有 する、エ サ キダイオード型 の 共 鳴トンネルダイオード（ 図 1 ）の電 流 電 圧 特 性を測 定しました 。そして 、その 低 バ イアス 領 域に 、窒 素 原 子に 起 因 する局 在 準 位によるピーク構 造を観 測しました 。
さらに 、トンネル 電 流に 垂 直に 磁 場を印 加 すると（ 図 2 ）、ピ ーク電 流 が 磁 場とともに 減 少 する様 子を観 測しました（ 図 3 の 丸 印 ）。
ピーク電流の磁場依存性は、局在状態の波動関数振幅のフーリエ変換像に対応します。図3の実線に、幅3.6nmのガウス型波動関数のフーリエ変換像を実線でプロットしました。良く一致することから、局在状態が放物線型のポテンシャルによって閉じ込められているとすると、閉じ込め幅は3 . 6 n m 程 度であることが分かります。ただし、今 回の測 定では、印 加 磁 場の最 大 値が小さく、クーロンポテ
ンシャル 型の閉じ込めを仮 定しても、同 様の一 致が得られました。すなわち、強く閉じ込められていることは分かりましたが、閉じ込め
ポテンシャルの形状に関しては、実験的には決定できませんでした。今後、印加磁場の範囲を広げることにより決定できると期待されます。
大阪大学 教授 森 伸也

図1（左）：窒素原子を含む狭い禁止帯幅の半導体（In(AsN)）量子井戸を中央に有する，共鳴トンネルダイオードのバンド図
図2（中）：磁気トンネル分光測定の概念図．
トンネル電流に磁場を垂直に印加し，トンネル電流の磁場依存性を測定する．
図3（右）：トンネル電流の磁場依存性の測定値（丸印）．
実線は，幅3.6 nmのガウス型波動関数のフーリエ変換像[1] D. M. Di Paola, M. Kesaria, O. Makarovsky, A. Velichko, L. Eaves, N. Mori, A. Krier, and A. Patané, Resonant Zener tunnelling via
zero-dimensional states in a narrow gap diode, Scientiﬁc Reports, Vol. 6, pp. 32039 (1-8), 2016.

構造欠陥による単層グラフェンのフォノン制御とその応用
我 々 はこれまで 、ナノカー ボン 材 料 の 熱 伝 導 は 主 にフォノンが 担って い ることに 着 目し 、構 造 制 御 による

RESEARCH

熱 伝 導 のコントロー ルを行ってきました [ 1 , 2 ] 。このような熱 伝 導 制 御 の 試 みは 、熱 マネジメント材 料 へ の 応
用に 向け 、特に 熱 電 変 換 デ バ イスの 効 率を向 上させる上 で 、非 常に 重 要な知 見を与えると期 待して います 。
図はグラフェン内に人 為 的に構 造 欠 陥を導 入したときの、グラフェンのラマンスペクトルと熱 伝 導 率の変 化を表して います 。酸 素プラズマによりグラフェン内 の 欠 陥 量を増 加させると、欠 陥に起 因 するD バンドのピー
クが徐々に増 加していくことが分かります。さらにグラフェンを架 橋 構 造にして 熱 伝 導 率を測 定 すると、欠 陥を導 入して いないグラフェンで は 熱 伝 導 率 が およそ 2 , 6 7 0 W /m K だった のに 対し、欠 陥を導 入したグラフェン（ D バンドとG
バンドの 強 度 比 I D / I G 㲔 2 . 4 ）で は 熱 伝 導 率 は 1 5 0 W / m K になりました 。またこのときの 欠 陥 密 度はおよそ 炭 素 原 子 1 0 0 0
個 中 、1 個 が 欠 損して い る状 態 で あると見 積 もられました 。これらの 結 果 は 、構 造 欠 陥 が 効 果 的にフォノン 伝 導を抑 制し、グラフェン 内 の 熱 伝 導 率を低 下させることを示して います [ 3 ] 。
大 阪 府 立 大 学 准 教 授 有江 隆之(a) グラフェンに欠陥を導入していったときのラマンスペクトルの変化。
(b) 欠陥を導入したときのグラフェンの熱伝導率変化。挿入図は熱伝導率測定に用いた架橋グラフェンの電子顕微鏡写真。
スケールバーは2μm。
[1] Y. Anno, K. Takei, S. Akita, and T. Arie, Phys. Status Solidi RRL 8, 692 (2014).
[2] Y. Anno, K. Takei, S. Akita, and T. Arie, Adv. Electron. Mater. 1, 1500175 (2015).
[3] Y. Anno, Y. Imakita, K. Takei, S. Akita, and T. Arie, submitted.

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Hot Topics

グラフェンのひずみ効果の解明と電気伝導の制御
グラフェンは 炭 素 原 子 が 蜂 の 巣 格 子 状 に 並 ん だ 2 次 元 結 晶 で す 。グラフェンは 様 々 な面 白 い 性 質を持 つことが 知られ て いますが 、我 々 は そ のうちの ひとつ で あるひ ずみ 効 果 に つ い て の 研 究を進 め て います 。グラフェンには 、格 子 ひ ず み が あると伝 導 電 子 は ベクトル ポ テンシャルを感じるという不 思 議 な

RESEARCH性 質 があります 。その 結 果 、ひ ずみの 大きさや 向きが 空 間 的に 変 化して いると、電 子 はあたかも磁 場 中にあるかのような運 動をします 。ひ ずみの 空 間 変 化をうまくコントロー ル することで 、高 性 能 のグラフェ
ントランジ スタが 実 現 できたり、様 々な面 白 い 現 象が 現 れるとの 理 論 予 測がされ て います 。
我 々 はこれまで 、グラフェンに 制 御 性 良くひ ずみを導 入 する手 法をいろいろと開 発してきました 。図a 、bにその 例を示します 。図 a では 、グラフェンと基 板 の 間にレジ ストでできた 周 期 ナノ構 造を挟み 込むこaとで 、グラフェンに 周 期 的なひ ずみを導 入して います [ 1 ] 。図 b では 、宙 吊りになったグラフェンを両 端から引っ張bって 1 軸 ひ ずみを導 入して います 。こ
こでは 、宙 吊りグラフェンの 幅を変 化
さ せ ることで 、ひ ず みを 空 間 的 に 変
化 さ せ て い ま す 。最 近 、ひ ず み を 用
い て 、本 来 金 属 的 なグ ラ フェンを 半

1 μm

5 μm

導 体 化 することに成 功しました 。今 後は 、高 性 能トラ ン ジ スタの 実 現 や 新
奇 物 理 現 象 の 開 拓を目指します 。

グラフェンへのひずみ導入 (a) 周期ひずみ、(b)1軸ひずみ筑波大学 准教授 神田 晶申[1] H. Tomori et al., Appl. Phys. Express 4, 075102 (2011).

NV中心における単一スピン・光子・電荷の電気的制御
ダ イ ヤ モ ンド 中 の N V 中 心 は 、量 子 情 報 や 磁 気 等 の 高 感 度 セ ン サ 等 の 幅 広 い 分 野 に お い て 非 常 に 注 目

RESEARCH

さ れ て い ま す 。我 々 の グ ル ー プ で は 、そ れ ら へ の 応 用 を 見 据 え 、ス ピ ン 、単 一 光 子 発 生 、電 荷 状 態 の 電 気
的 制 御 など に 注 目し て 研 究 を 行 って きまし た 。こ の 観 点 は 、スピ ン・光 子・電 荷 間 の 量 子 イン ター フェー ス とし て の 役 割 を 、N V 中 心 を 用 い た 量 子 情 報 素 子 が 担 え る の で は な い か と い う 点 からも 重 要 と 考 え て い ま す 。
電 荷 制 御 に 関し て は 、量 子 情 報 や セン サ へ の 応 用 を 見 据 え た 際 、負 に 帯 電し た N V − 電 荷 状 態 の 光 照 射 中 の 不 安
定 性 が 課 題 とし て ありまし た 。例 え ば 5 3 2 n m によ る 光 励 起 で は 、N V −と 中 性 の N V（ N V 0 ）の 割 合 は 7 : 3 に な ることが 知られ て い まし た 。我 々 は こ の 課 題 に 対 し 、リンド ー プ ダ
イ ヤ モ ンド を 用 い る こ と に よ り 、電 荷 状 態 の 安 定 化（ N V − と N V 0 の 割 合 ≒ 1 0 : 0 ）に 成 功 し まし た [ 1 ] 。
図 に は 、電 荷 の 非 破 壊 シ ン グ ル シ ョット 測 定 に よ り
明 ら か に し た N V −と N V 0 の 割 合 を 示 し て い ま す 。
ス ピ ン 制 御 に 関し て は 、振 動 電 場 / 磁 場 を 用 い た ダ
イヤ モンド 中 単 一 核 スピ ン の 高 速 位 相 制 御 の 理 論 提 案
を 行 い まし た [ 2 ] 。長 寿 命 量 子 ビットの 高 速 制 御 は 量 子
情 報 処 理 の 実 現 に 向 け 、重 要 で す 。原 理 的 に は 超 微 細
相 互 作 用 定 数 を 超 え た 速 度（ > > 1 / 1 6 5 n s ）で の 核
スピ ン 位 相 ゲ ート速 度 が 可 能 で あ ることを 示しまし た 。
京都大学 化学研究所 教授 水落 憲和
図：電荷の非破壊シングルショット測定による電荷状態測定。(a) パルス系列。(b) アンドープダイヤモンドにおける結果で532 nmによる光励起でNV−とNV0の割合は7:3。
(c) リンドープダイヤモンドにおける結果で532 nmによる光励起でNV−とNV0の割合は10:0を実現。
[1] Y. Doi, T. Fukui, H. Kato, T. Makino, S. Yamasaki, T. Tashima, H. Morishita, S. Miwa, F. Jelezko, Y. Suzuki, N. Mizuochi,
Pure negatively charged state of NV center in n-type diamond , Phys. Rev. B, 93, 081203 (R), 2016.
[2] T. Shimo-Oka, Y. Tokura, Y. Suzuki, N. Mizuochi, Fast Phase-manipulation of the Single Nuclear Spin in Solids by Rotating Fields Phys. Rev. A. accepted.

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Hot Topics「ナノカーボン構造の作り方・その極意と応用」
勉強会を開催しました
EVENT

カー ボン 系 ナノ構 造 は 、そ の 優 れ た 電 気 的・機 械 的 特 性 により、有 望 なハ イブリッド量 子 構 造 の ひとつ であるといえます 。基 礎 的 な話 から研 究 の 最 前 線までをカバ ーし、今 後 、班を横 断 する研 究 展 開を期 待してフォノン 班と電 荷・スピン 班を 中 心とした 勉 強 会を 東 京 大 学 生 産 技 術 研 究 所 に て 開 催しました 。企 画 され た
N T T の 山 口 氏と理 研 の 石 橋 先 生 の 発 案 で 、泥 臭 い 現 場 の 話をするという勉 強 会ならではの 趣 向 で 行 われ 、３０名を超える研 究 者 や 学 生が 参 加しました 。

理 科 大 の 本 間 先 生 から、「 単 層 カー ボンナノチューブ の架 橋 構 造 の 形 成 技 術 」、理 研 の 石 橋 先 生 から、「 多 層 カーボンナノチューブを利 用した 量 子ドット形 成 技 術 」、大 阪 府立 大 学 の 有 江 先 生から、
「 ハ イブリッドグラフェンデ バ イスに 向 け た 同 位 体 の 配 置 技 術 」に 関 す る話 題 が 提 供 されました 。学 会 発 表 に は 出 てこな い（ 出 せ な い？）話 や 経 験 則を交えた 講 演 は 大 いに 盛り上 がり、活 発な議 論 が 行 われました 。新 学 術 領 域 研 究 で は 、今 後 もざっくばらんに 裏 話 から最 先 端 の 研 究 成 果 が 聞 け る機 会を 設 け 、こ の 学 際 的 な分 野を活 性 化して いく予 定 で す 。
勉強会の様子

東京大学生産技術研究所 准教授 野村 政宏「ハイブリッド量子科学」セミナー―半導体ナノ構造による量子物性の制御と応用―

EVENT

半 導 体 ナ ノ 構 造 は 、ハ イ ブ リッド 量 子 科 学 の 一 翼 を
担 う 重 要 な 存 在 で す 。2 0 1 6 年 1 2 月 7 日 、新 学 術 領 域 の
中 で も 半 導 体 ナ ノ構 造 を 取 り 扱 う 3 名 の 研 究 者 を 講 演 者 に 迎 え 、「 半 導 体 ナ ノ 構 造 に よ る 量 子 物 性 の 制 御 と 応 用 」と 題 し た ハ イ ブ
リッド 量 子 科 学 セミナ ー を 慶 應 義 塾 大 学 に て 開 催 い たし まし た 。セミ ナ ー で は 、情 報 通 信 研 究 機 構 赤 羽 主 任 研 究 員 か ら 化 合 物 半 導
体 量 子ドット の 高 度 な 作 製 技 術 に つ い て 、慶 應 義 塾 大 学 早 瀬 准 教
授 か ら 半 導 体 量 子ドットを 用 い た 量 子 制 御 と 量 子 技 術 応 用 に つ いて 、東 京 大 学 生 産 技 術 研 究 所 野 村 准 教 授 か ら 近 年 注 目 さ れ て いるフォノニック 結 晶 の 作 製 技 術 と 熱 伝 導 制 御 に つ い て 、非 常 に 興 味 深 い ご 講 演 をし て い た だきまし た 。い ず れ の ご 講 演 も 、基礎 知 識 から 丁 寧 に 説 明し て い た だ き 、他 分 野 間 で もお 互 い の 理 解 を 深 め ることが で きまし た 。セミナ ー に は 、学 生 から 教 員 、
研 究 者 に 至 る 多くの 聴 衆 に お 集 まりい た だ き 、た い へ ん 盛 況 の うち に 終 了 い たしまし た 。セミナ ー 後 は 、引き 続 き 研 究 ディス
カッション が 盛り 上 がり 、そ の 結 果 新し い 共 同 研 究 を 開 始 す るに 至りまし た 。こ の ような セミナ ー は 、ヒトとヒト 、モノとモノをハ イブリッドに つ なげ 、新し い 研 究 の 種 を 見 つ け る 絶 好 の 場 で す 。今 後 も 定 期 的 に セミナ ー を 開 催し て い き た い と 思 い ま す 。
慶應義塾大学 准教授 早瀬潤子

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Essayハイブリッドと私

科学とネーミング
東北大学 教授 平山祥郎

私たちの領域名「ハイブリッド量子科学」もひとつのが、これは如何にも堅苦しい。今から考えると「量子閉ネーミングである。科学は事実がものをいう世界で、名じ込め……」と洒落ておけばよかったと思う。低次元は前の付け方など関係ないと思う人も多いと思うが、ネー

当時の上司の心配をよそに、そんなに悪いイメージではミングについていろいろな面白い話がある。

なさそうで、今もよく見かける。

一つ目は日本が誇るHEMT。これは皆さんご存知のナノテクノロジーのナノは物理や数学の定義を超えように変調ドープ構造で実現された素晴らしいデバイて、イメージが広がっている。インドの大手自動車メー

スで、世界的にはその構造からMODFET（Modulation-

カーであるタタ自動車は自社の小型車に「ナノ」というDoped FET）と呼ばれていた。最初にF社がHEMT（High-

名前を付けた。どう考えてもメートルサイズである。そElectron-Mobility Transistor）と言い出した時には、確かの他にもP社のナノイーシリーズやナノの付く化粧品なに移動度は速いが構造を考えるとMODFETでしょうと

ど「ナノ」＝「小さくて素晴らしいもの」のイメージが思ったが、舌を噛みそうなMODFETとスパッと言える社会に定着している。このようにネーミングを見ると本HEMTで、現在ではHEMTが定着している。もう一つ、

当に面白い。科学的な素晴らしさがあり、それとネーミ

面白い議論があった。量子箱か量子ドットかである。ドングの妙が一致すると大きな広がりを見せる。

ットは点だから、体積のある構造はドットではないでし私たちの新学術領域では、社会に好感が持たれていょうという話があった。しかし、箱（ボックス）は四角いるナノテクノロジーをベースにハイブリッド量子系を実イメージがあり、現在はほぼ100%量子ドットになってい現しようとしている。ハイブリッドも某自動車メーカー

る。

の世界的な頑張りで、最近は石巻線や小海線を走る気動ネーミングがかもし出すイメージも重要である。私が車の側面にも大きくハイブリッドと書かれており、かな

NTTで低次元構造の研究をスタートしたころ、研究計画

り良いイメージが世に出ている。「ハイブリッド量子」に「低次元系の……」という名前を付けたら、上の方かがどこまで広がりを見せるか、領域のみんなと頑張りた

らお前は低次元な研究をするのか、イメージが悪いと言い。

われた。仕方なく「多次元閉じ込め構造の……」とした

Light-Matter Interactions in Cavity & Circuit QED Systems in the Light of Quantum Technology - IWQD 2017 日時：2017年3月6日(月)〜8日(水)会場：国立情報学研究所(NII)
国際ワークショップIWQDは、数理物理から量子光学に亘る異なる領域の研究者達が、「量子デバイスの実現とその制御」
に関する最新の成果を持ち寄り、議論することを目指す会議です。今回は、超伝導人工原子（量子ビット）を用いた実験で明らかとなった、
非常に強い量子的結合状態の存在やその数理、および、ジョセフソン非線形共振回路に生じる量子状態の研究などに焦点をあてます。

Science of Hybrid
Quantum Systems
http://quant-trans.org/hybridqs/

発 行：東 北 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 新 学 術 領 域「 ハ イブリッド量 子 科 学 」事 務 局〒9 8 0 - 8 5 7 8 仙 台 市 青 葉 区 荒 巻 字 青 葉 6 - 3
編 集：根 本 香 絵（ 国 立 情 報 学 研 究 所 量 子 情 報 国 際 研 究 セ ン タ ー 長 ）執 筆 協 力：池 谷 瑠 絵（ 大 学 共 同 利 用 機 関 法 人 情 報・シ ス テ ム 研 究 機 構 U R A ）本 紙 に つ い て の お 問 合 せ：東 北 大 学 新 学 術 領 域「 ハイブリッド量 子 科 学 」事 務 局
TEL: 022-795-6415 FAX: 022-795-3881 e-mail: sgr.secre@ml.tohoku.ac.jp