【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.03.25】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM0089

利用課題名 / Title

ダイヤモンドスピン量子コンピューティング素子の研究開発

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed

キーワード / Keywords

ダイヤモンド,カラーセンター,可視光導波路,ビームスプリッタ,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,CVD,スパッタリング/ Sputtering,電子線リソグラフィ/ EB lithography,膜加工・エッチング/ Film processing/etching,ダイシング/ Dicing,エリプソメトリ/ Ellipsometry,量子コンピューター/ Quantum computer,フォトニクス/ Photonics,光導波路/ Optical waveguide,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,光デバイス/ Optical Device

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

山口 拓人

所属名 / Affiliation

富士通株式会社

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

伏見 直樹,肥田 勝春,宮原 昭一

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

渡辺 英一郎,河野 久雄,吉田 美沙,大谷 まさみ,浦野 絵里,尾崎 康子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

NM-614：CCP-RIE装置 [RIE-200NL]
NM-615：ICP-RIE装置 [RIE-101iPH]
NM-633：SiO2プラズマCVD装置 [PD-220NL]
NM-648：FE-SEM+EDX [SU8000]
NM-655：分光エリプソメーター [M2000]

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

ダイヤモンド中のカラーセンターのスピン状態を量子ビットとして用いる量子コンピュータでは、放出光子を用いた量子もつれによる量子ビット間の接続が可能である。この光接続を用いたアーキテクチャは優れたスケーラビリティを有するため、大規模な量子コンピュータの実現に有効な技術として期待されている。
我々は、カラーセンターの発光域である可視光領域で低吸収特性を有する酸化アルミニウム（Al₂O₃）に着目し、低伝搬損失の可視光導波路を既に作製・実証した。今年度は、生成された光子対の量子もつれ生成および光回路における光合分波に必須のパッシブデバイスとして、方向性結合器型のビームスプリッタを物質・材料研究機構の微細加工共用施設を利用して作製した。その結果、光分岐比が半々となるビームスプリッタの実証に成功した。

実験 / Experimental

本研究では、スパッタリング法で成膜したAl₂O₃薄膜を有するSiO₂/Si基板を用いて、方向性結合器型ビームスプリッタを作製した。まず、SiO₂プラズマCVD装置を用いてSiO₂ハードマスクを成膜し、電子線（EB）リソグラフィにより導波路パターンをEBレジスト上に形成した。次に、CCP-RIE装置を用いて、CHF₃ガスでSiO₂ハードマスクをパターニングした。このパターニングされたSiO₂ハードマスクをエッチングマスクとして、ICP-RIE装置を用い、Cl₂/BCl₃混合ガスでAl₂O₃層をエッチングし、導波路パターンを作製した。
方向性結合器型のビームスプリッタは、図1(a)に示すような2本の平行なAl₂O₃導波路を近接させることで、エバネッセント結合による光分岐を実現する構造である。今回我々は、導波路間のギャップGを変化させたパターンを設計し、デバイスを作製した。作製したデバイスの断面形状は、FE-SEM+EDXを用いて観察・分析した。スパッタリングで成膜したAl₂O₃膜の光学特性は、分光エリプソメーターを用いて測定した。

結果と考察 / Results and Discussion

ビームスプリッタの結合部の断面SEM像を図1(b)に示す。この像は、導波路間ギャップGを300 nmとしたEB描画パターンに基づき作製したものであり、EDXによる元素マッピングの結果を重ね合わせている。分光エリプソメーターによる評価から、成膜したAl₂O₃膜の波長637 nm（ダイヤモンド窒素-空孔中心の発光波長）における屈折率は1.691であった。Al₂O₃のICP-RIE工程において、マスク近傍ではエッチングレートが低下するため、導波路側壁はテーパ形状となり、最終的に作製された導波路幅はEB描画時の設計幅よりも広くなっている。結果として、EB描画パターンにおけるビームスプリッタ結合部の導波路間ギャップGが200 nm以上であれば2本の導波路は分離して作製されるが、200 nm未満では2本の導波路の下部が接触し、一体構造となることが分かった。このとき、ビームスプリッタの結合部における導波路間のギャップGを変化させることで、2本の導波路間のエバネッセント結合の強さを制御し、ビームスプリッタの光分岐比が調整できる。光学評価の結果、導波路間ギャップG=300 nmで設計したデバイスにおいてTMモードで約50:50の光分岐比を示し、ハーフビームスプリッタとして機能することを確認した。このデバイスは光子対の量子もつれ生成に不可欠であり、本成果はダイヤモンドカラーセンターを用いたスケーラブルな量子計算の実現に向けた重要な進展である。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 (a) 方向性結合器型のビームスプリッタの設計図。Lは結合部の長さ、Gは導波路間のギャップに対応する。(b) G=300 nm で電子線描画パターンを設計し、作製したビームスプリッタの結合部における断面SEM像にEDXによる元素マッピング像を重ねたもの。

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Takuto Yamaguchi, Optical waveguides and beam splitters using low-loss aluminum oxide for visible-wavelength photonics applications, Japanese Journal of Applied Physics, 64, 02SP32(2025).
   DOI: 10.35848/1347-4065/adb166
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 山口拓人, 伏見直樹, 肥田勝春, 宮武哲也, 宮原昭一, 宮澤俊之, 河口研一, 石原良一, 佐藤信太郎, “アルミナ導波路を用いた可視光量子光学回路向けビームスプリッタ”, 第85回応用物理学会秋季学術講演会（朱鷺メッセ ほか2会場&オンライン, 新潟県新潟市）, 17a-C32-6, 2024年9月.
2. T. Yamaguchi, N. Fushimi, M. Ohtomo, T. Miyatake, S. Miyahara, H. Hosoi, T. Miyazawa, K. Kawaguchi, R. Ishihara, and S. Sato, “Fabrication and Demonstration of Optical Waveguides and Beam Splitters Using Aluminum Oxide with Low Loss at Visible Wavelength”, 2024 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2024), E-4-04, Arcrea HIMEJI, Hyogo, Japan, Sep. 2024.
3. 細田雅之, 高木一旗, 北川涼太, 山口拓人, 伏見直樹, 肥田勝春, 宮澤俊之, 河口研一, 石原良一, 佐藤信太郎, “アルミナ可視光導波路で形成したビームスプリッタの低温評価”, 第72回応用物理学会春季学術講演会（東京理科大学 野田キャンパス&オンライン, 千葉県野田市）, 14a-K103-3, 2025年3月.
4. 山口拓人, 伏見直樹, 肥田勝春, 北川涼太, 宮澤俊之, 河口研一, 石原良一, 佐藤信太郎, “ダイヤモンド色中心量子演算向けアルミナ交差導波路の損失低減”, 第72回応用物理学会春季学術講演会（東京理科大学 野田キャンパス&オンライン, 千葉県野田市）, 16a-K305-6, 2025年3月.
5. 北川涼太, 山口拓人, 伏見直樹, 肥田勝春, 宮澤俊之, 河口研一, 石原良一, 佐藤信太郎, “ダイヤモンド色中心量子演算向けのアルミナ導波路ノッチフィルター”, 第72回応用物理学会春季学術講演会（東京理科大学 野田キャンパス&オンライン, 千葉県野田市）, 16a-K305-7, 2025年3月.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件