通信波長帯域における高輝度量子ドットもつれ光源を用いた量子テレポーテーション実験

• Project/Area Number: 15K17456
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Applied materials
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 中島 秀朗 北海道大学, 創成研究機構, 学術研究員 (10750797)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2016: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 量子ドット / 量子もつれ / 単一モード光ファイバ

Outline of Annual Research Achievements

今年度は、(1)量子もつれ光子対に関して励起子微細構造分裂に対する量子状態生成の許容度について精査し、また(2)生成された量子光を効率良く運搬するために単一モード光ファイバ(SMF)内蔵型の冷却装置を構築し駆動検証を行った。
1) 微細構造分裂量の異なる量子ドットを幾つか選別し、個々のドットにおける励起子分子-励起子カスケード光子対の偏光状態について調査した。結果として数マイクロeVの半値幅(許容幅)を持つ狭いローレンツ型の依存性が見られ、またその結果はドット本来の発光自然幅と良い一致であることが示唆された。この結果は可視域(ガリウムヒ素ドット)にて行った原理検証ではあるものの、得られた知見は材料系問わず一般的なものであり、それゆえ通信波長帯域での量子ドットもつれ光源開発に向けても良い指針になると考える。
2) 量子光の評価において、特に1ミクロン以上の比較的長い波長帯域ではSMFでの伝送が基本となるが、一般的な顕微光学装置では一度自由空間中へと放出された光を再度ファイバモジュールでSMFへと結合する必要があり、光損失が比較的大きい。そこでドット光源およびファイバ集光モジュールを一つの系として組み込んだ冷却装置を構築することで量子光伝送の高効率化を計った。結果としてSMF集光効率40%以上での駆動を実証し、また寒剤(液体ヘリウム)中にて動作する本装置は冷却振動を原理的に受けず長時間安定駆動が可能であることが確認された。これらは測定技術の向上のみならず通信への応用の意味でも重要な成果と考える。今回はバルクタイプのドットを用いた実験であるが、微細加工等による光源自体の高効率化によって更なる観測精度の向上が期待され、現在検討を進めている。

Research Products

• [Journal Article] Stable and efficient collection of single photons emitted from a semiconductor quantum dot into a single-mode optical fiber (2016)
  • Author(s): H. Kumano, T. Harada, I. Suemune, H. Nakajima, T. Kuroda, T. Mano, K. Sakoda, S. Odashima, and H. Sasakura
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 9 Issue: 3 Pages: 032801-032801
  • DOI: 10.7567/apex.9.032801
  • NAID: 120005972930
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ピラー型微細形状を有するQDinFを用いた高純度単一光子状態の生成 (2016)
  • Author(s): 村上大輔, 小田島聡, 中島秀朗, 熊野英和, 笹倉弘理
  • Organizer: 第63回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学大岡山キャンパス
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Tolerance of photon entanglement in a droplet epitaxial quantum dot grown on (111)A surface (2015)
  • Author(s): 中島秀朗, 劉祥明, ハヌル, 竹本亮, 黒澤裕之, 間野高明, 黒田隆, 迫田和彰, 末宗幾夫, 熊野英和
  • Organizer: 2015 International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2015)
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター
  • Year and Date: 2015-09-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Semiconductor quantum-dot-based quantum photon sources (2015)
  • Author(s): 熊野英和, 中島秀朗, 小田島聡, 劉祥明, 黒田隆, 間野高明, 迫田和彰, 末宗幾夫
  • Organizer: Physical Science Symposia-2015
  • Place of Presentation: Cambridge, MA, USA
  • Year and Date: 2015-09-21
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 微細構造分裂の抑制された量子ドット中性励起子状態を介した単一スピンの読み出し (2015)
  • Author(s): 中島秀朗, 劉祥明, ハヌル, 竹本亮, 黒澤裕之, 間野高明, 黒田隆, 迫田和彰, 末宗幾夫, 熊野英和
  • Organizer: 第76回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] Quantum tomographic analysis of the time-evolved nonlocal biphoton states from a semiconductor quantum dot (2015)
  • Author(s): 熊野英和, 中島秀朗, 黒田隆, 間野高明, 迫田和彰, 末宗幾夫
  • Organizer: The 17th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS17)
  • Place of Presentation: 仙台国際センター
  • Year and Date: 2015-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Creation of highly-entangled photon pairs with a droplet epitaxial quantum dot grown on (111)A surface (2015)
  • Author(s): 中島秀朗
  • Organizer: Japan, Vietnam, Bulgaria and Taiwan Joint Workshop
  • Place of Presentation: 国立交通大学(NCTU), 台湾
  • Year and Date: 2015-07-18
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子情報応用に向けた半導体ナノ構造物性と生成光子状態の評価 (2015)
  • Author(s): 熊野英和, 中島秀朗, 末宗幾夫
  • Organizer: 附置研究所間アライアンスによるナノとマクロをつなぐ物質・デバイス・システム創成戦略プロジェクト
  • Place of Presentation: 九州大学伊都キャンパス
  • Year and Date: 2015-04-21
• [Remarks] 北海道大学ナノ光機能材料研究分野
  • URL: http://nanophoto.es.hokudai.ac.jp/main.html