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単一もつれ光子対-電子対変換における量子相関保存の実証

Research Project

Project/Area Number 16J03037
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Condensed matter physics I
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

黒山 和幸  東京大学, 工学系研究科物理工学専攻, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2016-04-22 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
KeywordsGaAs量子ドット / 量子もつれ相関 / GaAs半導体量子ドット / 量子もつれ光子対 / 量子中継 / 量子効率 / 二重量子ドット / 励起子 / ブラッグ反射器
Outline of Annual Research Achievements

GaAs量子ドットを用いて、単一の偏光もつれ光子対から光子-電子対の生成を行い、それらの間に偏光とスピンの相関を形成できるかを検証する実験に取り組んだ。そのための技術的な課題として、1.もつれ光源の改善および2.量子ドットにおける光電子生成効率の改善を試みた。
1つ目の課題では、もつれ光子のファイバー結合効率を向上させることを試みた。私たちは、Type-II BBO結晶の自発パラメトリック下方変換(SPDC)を使用するが、この手法では結晶中で発生したもつれ光子が球面状に広がって伝搬する。そのため、結晶から離れた場所に配置されたファイバーでは、小さな立体角の中に飛来した光子しか結合できない。そこで、結晶の背後にレンズを導入することにより、もつれ光子をコリメートし効率よくファイバーへ運ぶことに成功した。さらに、結晶の励起光のビーム形状や結晶中への集束のさせ方が、もつれ光子の生成効率や空間モードに大きな影響を与えることが知られている。これらの改良を行った結果、約3~4倍のもつれ光子の検出レートを実現した。
2つ目の課題は、入射光子のビーム径が量子ドットのサイズよりも10~100倍程度大きいことにより、ほとんどの光子がドットへ照射されていないことが大きな原因である。そこで、入射光子をドットへ集束させる前に、ビームエクスパンダ-によって予めビーム径を大きくしておくことで、ビームの集束径を小さくすることを試みた。それにより、ドット近傍でのビーム径は以前の1/5程度に小さくすることに成功した。
これらの改良を踏まえた上で、単一のもつれ光子対から光子-電子対の生成を行いそれらの偏光-スピン相関を検証する実験を試みた。上記の効率の改善を行ったにもかかわらず、未だに相関を議論するのに十分な光子-電子対を得ることができていないが、予想される相関を持った光子-電子対を実時間検出することに成功した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2019 2018 2017 2016

All Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results)

  • [Journal Article] Photogeneration of a single electron from a single Zeeman-resolved light-hole exciton with preserved angular momentum2019

    • Author(s)
      Kuroyama K.、Larsson M.、Chang C. Y.、Muramoto J.、Heya K.、Fujita T.、Allison G.、Valentin S. R.、Ludwig A.、Wieck A. D.、Matsuo S.、Oiwa A.、Tarucha S.
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Issue: 8 Pages: 85203-85203

    • DOI

      10.1103/physrevb.99.085203

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Single electron-photon pair creation from a single polarization-entangled photon pair2017

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Marcus Larsson, Sadashige Matsuo, Takafumi Fujita, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Akira Oiwa, and Seigo Tarucha
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 7 Issue: 1 Pages: 169681-8

    • DOI

      10.1038/s41598-017-16899-w

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs横型二重量子ドットにおけるスピン三重項を介した 単一電子のトンネル現象の実時間観測2019

    • Author(s)
      黒山和幸, 松尾貞茂, 村本丈, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 都倉康弘, 樽茶清悟
    • Organizer
      日本物理学会 第74回年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Experimental generation of single photon-electron pairs from single entangled photon pairs2018

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Marcus Larsson, Takafumi Fujita, Sadashige Matsuo, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Akira Oiwa, and Seigo Tarucha
    • Organizer
      34th International Conference on the Physics of Semiconductors”, Montpellier, France
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs横型量子ドットにおけるスピン-格子相互作用を介した フォノンによる電子スピン反転の実時間測定2018

    • Author(s)
      黒山和幸, 松尾貞茂, 村本丈, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 都倉康弘, 樽茶清悟
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] GaAs横型量子ドットにおけるスピン分裂した軽い正孔の共鳴光学励起による単一光子偏光から電子スピンへの量子状態転写の実証2018

    • Author(s)
      黒山和幸, 村本丈, 部谷謙太郎, Marcus Larsson, 藤田高史B, Sascha R. Valentin,Arne Ludwig,Andreas D. Wieck, 松尾貞茂, 大岩顕, 樽茶清悟
    • Organizer
      日本物理学会 2018年秋季大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Two electron spin dynamics in a double quantum dot driven by a phonon source2018

    • Author(s)
      Kazuyuki Kuroyama, Sadashige Matsuo, Jo Muramoto, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Yasuhiro Tokura, and Seigo Tarucha
    • Organizer
      One-Day Symposium on Spintronic Properties of Graphene and Related 2D Materials
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Observation of quantum state transfer from polarized photons to electron spins using Pauli blockade effect2017

    • Author(s)
      ◯K. Kuroyama, M. Larsson, S. Matsuo, T. Fujita, S. R.Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa and S. Tarucha
    • Organizer
      28th international conference on Low Temperature Physics
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs量子ドットにおける光学的スピン閉塞効果鵜を用いた量子状態転写の実証.22017

    • Author(s)
      ◯黒山和幸、Marcus Larsson、部谷謙太郎、松尾貞茂、藤田高史、Sascha R. Valentin、Arne Ludwig、Andreas D. Wieck、大岩顕、樽茶清悟
    • Organizer
      日本物理学会第72回年次大会・秋季大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 偏光もつれ光子対による単一光子-電子対の生成2017

    • Author(s)
      ◯黒山和幸、Marcus Larsson、松尾貞茂、藤田高史、Sascha R. Valentin、Arne Ludwig、Andreas D. Wieck、大岩顕、樽茶清悟
    • Organizer
      第22回スピン光学の基礎と応用PASPS-22
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Towards entanglement transfer from a single polarization-entangled photon pair to a single electron-photon pair2017

    • Author(s)
      ◯K. Kuroyama, S. Matsuo, M. Larsson, H. Kentaro, J. Muramoto, T. Fujita, S. R.Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa and S. Tarucha
    • Organizer
      UTokyo-ANU Workshop on Quantum Control and Electronic Materials and Devices
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Single photon-electron pairs generation from polarization entangled photon pairs2016

    • Author(s)
      ◯K. Kuroyama, M.Larsson, T.Fujita, S.Matsuo, S.R.Valentin, A.Ludwig, A.D.Wieck, A.Oiwa and S.Tarucha
    • Organizer
      International workshop on nano-spin conversion science & quantum spin dynamics
    • Place of Presentation
      Takeda Hall, The University of Tokyo(東京都・文京区)
    • Year and Date
      2016-10-14
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs量子ドットにおける光学的スピン閉塞効果鵜を用いた量子状態転写の実証2016

    • Author(s)
      ◯黒山和幸、Marcus Larsson、藤田高史、松尾貞茂、Sascha R. Valentin、Arne Ludwig、Andreas D. Wieck、大岩顕、樽茶清悟
    • Organizer
      日本物理学会第71回年次大会・秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県・金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-15
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Observation of quantum state transfer from single polarized photons to single electron spins using optical Puli Blockade effect2016

    • Author(s)
      M.Larsson, ◯K. Kuroyama, T.Fujita, S.Matsuo, S.R.Valentin, A.Ludwig, A.D.Wieck, A.Oiwa and S.Tarucha
    • Organizer
      9th International Conference on Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Solids
    • Place of Presentation
      Kobe International Conference Center(兵庫県・神戸市)
    • Year and Date
      2016-08-10
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Experimental generation of single photon-electron pairs from single entangled photon pairs2016

    • Author(s)
      ◯K. Kuroyama, M.Larsson, T.Fujita, S.Matsuo, S.R.Valentin, A.Ludwig, A.D.Wieck, A.Oiwa and S.Tarucha
    • Organizer
      33rd International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Place of Presentation
      Beijing International Convention Center(中国・北京市・朝陽区)
    • Year and Date
      2016-08-04
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-05-17   Modified: 2024-03-26  

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