2016 Fiscal Year Annual Research Report
高秘匿通信のための量子ドット偏光相関２光子源：生成機構の解明と通信波長帯展開
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16H03816
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
熊野 英和 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (70292042)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 量子情報 / 光子数状態 / ブリンキング / 金属埋め込み |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究開発課題は、半導体量子系を光源とする２光子状態の制御に必要な基礎物理を理解し、光源の高度化に向けた指針を明らかにすることで、優れた特性を持つ量子ドット光源の応用へ向けた展望を大きく拡げ、量子情報通信分野へ多大な波及効果をもたらすことを目的としている。多光子発生過程が抑制され、更に長時間安定性及び耐久性に優れた半導体量子ドットの作製はそのための最も基盤的な技術の１つであるが、量子ドット構造の場合、周囲に何もない天然原子と異なり無数の格子状の原子が周囲を取り囲んでいるため、その熱振動や欠陥の影響を大きく受ける。特に欠陥準位や環境系とのキャリアのやり取りを介したエネルギー準位の変動は、単一の量子ドット構造を用いた光子数状態生成光源としての安定性を大きく損なう課題を残す。当該年度は、これら環境系と量子ドットとの相互作用のために生じる主要な２つの現象である、発光の明滅現象（ブリンキング）および遷移エネルギーのシフト（スペクトル拡散）を詳細に検討し、これら２つの現象間に強い相関があることを見出し、そのメカニズムを明らかにした。また独自の銀埋め込み構造の導入により、これらの現象を抑制し遷移エネルギーを安定化することに成功した。埋め込み構造を構成しない試料においては上のような効果は見られないことから、銀埋め込み構造により一部領域で実効的な励起強度が増強され、ある閾値を超える局所的な強励起光により結晶構造が不可逆的に均質化し、結果ドット成長時に形成された欠陥準位が消失することでドット発光の永続的な安定化が得られたものと考えられる。一度閾値を超える強励起を行ってスペクトル拡散とブリンキングが消失すると、揺らぎのある初期の状態には戻らないことから、この欠陥準位の消失は長期安定な光子数状態生成光源の作製に繋がる重要な手法となるものと期待される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成２８年度の実施項目は、量子トモグラフィーによるドット由来の２光子状態の完全解析であった。量子的な相関関係をもつ２光子発生を示す量子ドット構造のいくつかについては、量子トモグラフィーを用いた解析を予定通り進めることが出来た。一方で、量子相関が観測されるされないに関わらず、多くのドットで遷移エネルギーや強度が時間的に揺らぐ現象が散見された。これは光子対発生メカニズム解明の妨げとなるとともに、将来のもつれ光子対光源実装時の信頼性にも大きく影響することから、当該現象の理解と対策の必要に迫られた。銀埋め込み構造を導入すると、この揺らぎが消失し、遷移エネルギー、発光強度とも安定化することを偶発的に発見し、この現象理解にも研究資源を割いて研究を遂行した。来年度以降も当初目的と並行し、この興味深い現象のより詳細な理解についても進めて行く予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成２９年度の当初計画である、２光子状態の時間的発展を、ドット内で起こる時系列遷移の中間状態である励起子状態の時間発展が転写されたものとして記述する物理モデルの構築と併せ、今回偶発的に発見された遷移エネルギーの安定化現象について、励起エネルギー依存性の検討等、ドットと環境系の間のキャリア移動についてより詳細な議論を行い、スペクトル狭窄化による光電相互作用の増大に向けた研究、また独立量子ドット光源からの光子干渉の高効率化に関する研究を進める予定である。光子がもつ他系にはない特色を最大限に引き出し、量子暗号や量子計算をはじめとする量子光デバイスの実現に向けた研究開発を、今後とも鋭意展開して行きたい。
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