単一飛行電子を用いた量子電子光学実験の基盤技術の開発

• Project/Area Number: 20H02559
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 28020:Nanostructural physics-related
• Research Institution: Osaka University (2023); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2020-2022)
• Principal Investigator: 高田 真太郎 大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (90805144)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856) ; 丸山 道隆 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (30415947)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2023: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2020: ¥10,400,000 (Direct Cost: ¥8,000,000、Indirect Cost: ¥2,400,000)
• Keywords: 表面弾性波 / 単一電子デバイス / 量子電流源 / 二次元電子系 / 量子電子光学 / 量子デバイス / 飛行量子ビット / 量子ドット / 量子細線 / 圧電帯薄膜 / 圧電体薄膜 / 量子ビット

Outline of Research at the Start

量子光学では単一光子源やビームスプリッタといった基本素子を用いて光子の量子状態を制御し、盗聴不可能な量子暗号通信などの量子情報処理の研究が進展している。一方で、固体中の電子に対して同様な基本素子を開発できれば、電子を用いて量子光学的な実験を行う量子電子光学実験を実現することができる。
量子電子光学では強く相互作用する電子の性質を用いた新たな機能や操作が期待される。本研究では、電子の電荷、及びスピンの両自由度に着目し、その量子状態のコヒーレントな移送・制御を行うための基盤技術の開発に取り組み、量子情報処理への応用を見据え、単一飛行電子での量子電子光学実験という新しい可能性を切り拓くことを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

当該年度は、表面弾性波によって運ばれる単一飛行電子に対するコヒーレントなビームスプリッタの実現に向け、結合量子細線における単一飛行電子の制御実験を行った。特に、量子細線間の結合を電圧パルスを用いて実時間制御することで、単一飛行電子の量子状態が細線上の位置に依存してどのように変化するかを調べた。その結果、GaAs二次元電子系に電子を供給し、イオン化したドーパントに起因すると考えられるポテンシャルの揺らぎによって、位置に依存して閉じ込めの対称性が変化していることがわかった。この知見は、単一飛行電子に対するコヒーレントなビームスプリッタ操作を実現する上で必要不可欠な情報である。
また、昨年度の研究で実現した表面弾性波の孤立パルスを用いた量子電流源の研究では、表面弾性波を励起する際に櫛形電極IDTに与える交流電場によって発生する電磁波の影響で、単一飛行電子の高精度な制御が妨げられるという示唆を得ていた。そこで、当該年度はそのような電磁波の発生を抑える方法として、差動励起による表面弾性波の発生手法の研究を行った。従来はIDTの片方の電極をグラウンドに落とし、他方の電極に交流電場を与えることで表面弾性波を励起していたが、差動励起では２つの電極に逆位相の交流電場を与えることで、表面弾性波の励起を行う。結果として、IDTを中心として飛ぶ電磁波の成分は多くが干渉によってキャンセルされ、発生する表面弾性波の強度を保ったまま、電磁波成分を90%以上抑制することに成功した。近年表面弾性波を用いた基礎研究は、単一飛行電子の制御に留まらず、超伝導量子回路やスピントロ二クスの分野でも行われており、ここで開発した技術は広い応用範囲が想定される。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Institut NEEL, CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] Ruhr-Universitat Bochum(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Insitut Neel, CNRS/Universite Paris-Saclay(フランス)
• [Int'l Joint Research] Ruhr-Universitat Bochum(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] James Watt School of Engineering(英国)
• [Int'l Joint Research] Institut Neel, CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] Paul Drude Institute(ドイツ)
• [Journal Article] On-demand single-electron source via single-cycle acoustic pulses (2024)
  • Author(s): S. Ota, J. Wang, H. Edlbauer, Y. Okazaki, S. Nakamura, T. Oe, A. Ludwig, A.D. Wieck, H. Sellier, C. Bauerle, N.-H. Kaneko, T. Kodera, S. Takada
  • Journal Title: Physical Review Applied Volume: 21 Issue: 2 Pages: 024034-024034
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.21.024034
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Suppression of electromagnetic crosstalk by differential excitation for SAW generation (2024)
  • Author(s): S. Ota, Y. Okazaki, S. Nakamura, T. Oe, H. Sellier, C. Bauerle, N.-H. Kaneko, T. Kodera, S. Takada
  • Journal Title: Applied Physics Express Volume: 17 Issue: 2 Pages: 022002-022002
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ad253f
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] ＋<i>α</i> research technique: Generation of a single cycle surface acoustic wave pulse (2023)
  • Author(s): 高田 真太郎、太田 俊輔
  • Journal Title: Oyo Buturi Volume: 92 Issue: 12 Pages: 741-745
  • DOI: 10.11470/oubutsu.92.12_741
  • ISSN: 0369-8009, 2188-2290
  • Year and Date: 2023-12-01
• [Journal Article] Coulomb-mediated antibunching of an electron pair surfing on sound (2023)
  • Author(s): Wang Junliang、Edlbauer Hermann、Richard Aymeric、Ota Shunsuke、Park Wanki、Shim Jeongmin、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Sim Heung-Sun、Urdampilleta Matias、Meunier Tristan、Kodera Tetsuo、Kaneko Nobu-Hisa、Sellier Hermann、Waintal Xavier、Takada Shintaro、B?uerle Christopher
  • Journal Title: Nature Nanotechnology Volume: 18 Issue: 7 Pages: 721-726
  • DOI: 10.1038/s41565-023-01368-5
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Generation of a Single-Cycle Acoustic Pulse: A Scalable Solution for Transport in Single-Electron Circuits (2022)
  • Author(s): Wang Junliang、Ota Shunsuke、Edlbauer Hermann、Jadot Baptiste、Mortemousque Pierre-Andre、Richard Aymeric、Okazaki Yuma、Nakamura Shuji、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Urdampilleta Matias、Meunier Tristan、Kodera Tetsuo、Kaneko Nobu-Hisa、Takada Shintaro、Bauerle Christopher
  • Journal Title: Physical Review X Volume: 12 Issue: 3 Pages: 031035-031035
  • DOI: 10.1103/physrevx.12.031035
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] In-flight distribution of an electron within a surface acoustic wave (2021)
  • Author(s): Edlbauer Hermann、Wang Junliang、Ota Shunsuke、Richard Aymeric、Jadot Baptiste、Mortemousque Pierre-Andre、Okazaki Yuma、Nakamura Shuji、Kodera Tetsuo、Kaneko Nobu-Hisa、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Urdampilleta Matias、Meunier Tristan、Bauerle Christopher、Takada Shintaro
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 119 Issue: 11 Pages: 114004-114004
  • DOI: 10.1063/5.0062491
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Heat-Driven Electron-Motion in a Nanoscale Electronic Circuit (2021)
  • Author(s): Takada Shintaro、Georgiou Giorgos、Arrighi Everton、Edlbauer Hermann、Okazaki Yuma、Nakamura Shuji、Ludwig Arne、Wieck Andreas D.、Yamamoto Michihisa、Bauerle Christopher、Kaneko Nobu-Hisa
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 90 Issue: 11 Pages: 113707-113707
  • DOI: 10.7566/jpsj.90.113707
  • NAID: 210000159425
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Remotely Pumped GHz Antibunched Emission from Single Exciton Centers in GaAs (2021)
  • Author(s): Yuan Mingyun、Biermann Klaus、Takada Shintaro、B?uerle Christopher、Santos Paulo V.
  • Journal Title: ACS Photonics Volume: 8 Issue: 3 Pages: 758-764
  • DOI: 10.1021/acsphotonics.1c00094
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coherent Beam Splitting of Flying Electrons Driven by a Surface Acoustic Wave (2021)
  • Author(s): Ito R.、Takada S.、Ludwig A.、Wieck A.?D.、Tarucha S.、Yamamoto M.
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 7 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.070501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] IDTの差動励起による電磁波を抑制したSAW生成 (2024)
  • Author(s): 太田俊輔、岡崎雄馬、中村秀司、大江武彦、Sellier Hermann、Bauerle Christopher、金子晋久、小寺哲夫、高田真太郎
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 固体電子系における量子計算の実現に向けた飛行電子の制御 (2023)
  • Author(s): 高田真太郎
  • Organizer: 固体におけるエニオンと分数統計粒子研究の最前線
  • Invited
• [Presentation] A single-electron toolbox for quantum applications assisted by sound waves (2022)
  • Author(s): Shintaro Takada
  • Organizer: 29th International Conference on LOW TEMPEATURE PHYSICS (LT29)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 固体電子系における飛行量子ビットの実現と物性測定への応用 (2021)
  • Author(s): 高田真太郎
  • Organizer: 第２回ナノスケール物性科学の最先端と新展開
  • Invited
• [Presentation] 表面弾性波への単一飛行電子の選択的閉じ込め (2021)
  • Author(s): 太田俊輔
  • Organizer: 応用物理学会 第８２回秋季学術講演会
• [Presentation] A single-electron toolbox for quantum applications assisted by sound (2021)
  • Author(s): Shintaro Takada
  • Organizer: SEQUOIA Final Online Meeting
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Heat-Driven Electron Motion in a Nanoscale Electronic Circuit (2021)
  • Author(s): Shintaro Takada
  • Organizer: 24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Single-Electron Transport with Acousto-Electric Chirp Pulses (2021)
  • Author(s): Shunsuke Ota
  • Organizer: 20th International Conference on Modulated Semiconductor Structures
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Flight Manipulation of a Single Electron Shuttled by Sound (2021)
  • Author(s): Junliang Wang
  • Organizer: 24th International Conference on Electronic Properties of Two-Dimensional Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シングルミニマム表面弾性波を用いた単一電子輸送 (2021)
  • Author(s): 太田俊輔
  • Organizer: 応用物理学会 第６９回春季学術講演会