quantum transducers based on surface acoustic wave hybrid quantum systems

• Project/Area Number: 20J00325
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 佐々木 遼 国立研究開発法人理化学研究所, 量子コンピュータ研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 量子変換器 / ハイブリッド量子系 / 表面弾性波 / 光共振器 / 光弾性効果 / 量子ハイブリッド系 / フォノン / 量子情報 / 音響光学変調器 / 超伝導量子ビット / 量子ハイブリッド

Outline of Research at the Start

量子状態を利用した量子コンピュータは古典的な計算機を超える計算能力を持つと期待され，様々な種類の量子状態に基づいて研究が行われている．特に超伝導体と光は発展が目覚しく動作周波数や温度，堅牢性などで異なる特性を持ち，相補的な利用が望ましいが二つが直接結合することはなく，高効率な変換器が必要となる．本研究では物質の表面を伝搬する表面弾性波を利用した変換器を作成し，高い変換効率を持つ変換器の作製を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

最終年度は主に希釈冷凍機温度での表面弾性波共振器の評価，収束型表面弾性波共振器の開発，光共振器の測定系の構築と評価を行った．
希釈冷凍機での測定については表面弾性波共振器における電気抵抗やフォノンーフォノン散乱に由来するロスを抑制することを目的として行なった．実際に室温環境下と比較して圧電バルク材料・圧電薄膜材料を用いたデバイスの両方でQ値の改善がみられ，100usecを超える寿命を達成した．
収束型表面弾性波共振器は変換器の変換効率を増強するために共振器のモード体積の極小化を目的として行なった．収束型の共振器は光共振器内部のレーザーの固有状態であるガウシアンビームモードを模倣してデバイスをデザインするが，実際に測定される共振モードはこれまで偶発的で基本モードや高次モードといった異なるモードとの結合がコントロールできておらず，デバイスデザインの方針が明らかではなかった．デバイス構造ののさまざまなパラメータを系統的に変えながら作製することで，基本モードと高次モードを選択的に励起できる共振器構造を明らかにした．またモード分布を光学イメージングによって測定し，波長スケールにモードを収束できること，高次モードでは理論から予想されるような位相反転が生じることを明らかにした．
光共振器の測定については低温環境下での測定が可能になるようにグレーティングカプラをもつ光導波路と結合した光共振器を作製した評価を行った．光学測定系を構築し，リング共振器とフォトニック結晶共振器について室温下での測定を行ったところQ値が10^5を超えるデバイスを作製できた．グレーティングカプラの周波数依存性や希釈冷凍機内での固定用接着剤による屈折率変化を明らかにして表面弾性波共振器との結合系実現のためのデバイス最適化を行なった．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative optical imaging method for surface acoustic waves using optical path modulation (2023)
  • Author(s): Hisatomi Ryusuke、Taga Kotaro、Sasaki Ryo、Shiota Yoichi、Moriyama Takahiro、Ono Teruo
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 107 Issue: 16
  • DOI: 10.1103/physrevb.107.165416
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Optical polarimetric measurement of surface acoustic waves (2021)
  • Author(s): Taga K.、Hisatomi R.、Ohnuma Y.、Sasaki R.、Ono T.、Nakamura Y.、Usami K.
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 119 Issue: 18 Pages: 181106-181106
  • DOI: 10.1063/5.0066362
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Small-mode-volume surface acoustic wave resonator in LiNbO3 film on Sapphire (2022)
  • Author(s): Ryo Sasaki, Rekishu Yamazaki, Yuya Yamaguchi, Ryusuke Hisatomi, Koji Usami, Yasunobu Nakamura
  • Organizer: Quantum optics meets acoustics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] フォトン・フォノン間非古典相関観測に向けた光ファイバー内ブリルアン散乱の定量的評価 (2022)
  • Author(s): 齋藤真幸, 佐々木遼, 松浦康平, 山崎歴舟, 宇佐見康二, 中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2022年年次大会
• [Presentation] 量子マイクロ波フォトニクスに向けた量子トランスデューサ (2021)
  • Author(s): 山口祐也，菅野敦史，山本直克，山崎歴舟，加藤真也，青木隆朗，野口篤史，佐々木遼，不破麻里亜，宇佐見康二，中村泰信山口祐也，菅野敦史，山本直克，山崎歴舟，加藤真也，青木隆朗，野口篤史，佐々木遼，不破麻里亜，宇佐見康二，中村泰信
  • Organizer: マイクロ波・ミリ波フォトニクス研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子インターフェースの実現に向けたピエゾー音共振器 の電場―歪み場シミュレーション (2021)
  • Author(s): 黒川穂高, 山本萌生, 申秀成, 佐々木遼, 関口 雄平 , 野村政宏 , 小坂 英男
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋期学術講演会
• [Presentation] 表面弾性波による旋光現象の理論 (2021)
  • Author(s): 大沼悠一 ，多賀光太郎，久富隆佑 ，佐々木遼，小野輝男， 中村泰信 ，宇佐見康二
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 表面弾性波による旋光現象の定量的観測 (2021)
  • Author(s): 久富隆佑，多賀光太郎，大沼悠一，佐々木遼，宇佐見康二，中村泰信，塩田陽一，森山貴広，小野 輝男
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 量子インターフェースのためのピエゾ-音共振器のシミュレーション (2021)
  • Author(s): 山本萌生，申秀成，佐々木遼 ，黒川穂高，関口雄平，野村政宏，小坂英男
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 量子変換器実現に向けた 圧電薄膜上の微小モード体積表面弾性波共振器 (2021)
  • Author(s): 佐々木遼，山崎歴舟，久富隆佑，野口篤史，宇佐見康二，中村泰信
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] 量子マイクロ波フォトニクスに向けた薄膜LNデバイス (2021)
  • Author(s): 山口祐也・菅野敦史・山本直克・山崎歴舟・加藤真也・青木隆朗・野口篤史・宇都隆宏・加納正太郎・佐々木遼・不破麻里亜・宇佐見康二・中村泰信
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会 2021