2018 Fiscal Year Research-status Report
Quantum control of non-thermal phonon states for high efficiency of quantum nanodevices
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17K06379
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| Research Institution | University of Yamanashi |
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Principal Investigator |
石川 陽 山梨大学, 大学院総合研究部, 准教授 (10508807)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小林 潔 山梨大学, 大学院総合研究部, 教授 (30397038) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 励起エネルギー移動 / 非マルコフ過程 / コヒーレントフォノン / 非平衡開放系の量子ダイナミクス / フォノン制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子ナノデバイスの動作効率の向上を実現するためにその動作効率を決定する非熱浴的フォノン環境の制御手法を理論的に提案することを目指している。前年度までの研究により非熱浴的フォノン環境がナノ構造間の励起エネルギー移動を支援する効果が明らかとなったが、本年度は、理論モデルへ測定系を導入し、非熱浴的フォノン環境の量子状態と励起エネルギー支援効果が、観測過程に対してどのように依存するのかを明らかにした。この研究成果は、観測過程によって非熱浴的フォノン環境の量子状態を制御できる可能性を示したものであり、非熱浴的フォノン環境制御による量子ナノデバイスの高効率化へつながる重要な知見と言える。また、単一フォノン環境の効果を取り扱うために、前年度までに導出した量子マスター方程式へ高次の相関関数を取り入れる拡張を行った。単一量子という最小単位でのフォノン制御を実現できれば、単に、より精密な熱制御を実現できるだけではなく、量子ナノデバイスの基本的動作原理自体を修正する新しい研究成果となる可能性がある。本年度の研究成果で拡張した量子マスター方程式をもとに単一フォノン量子状態の励起エネルギー移動に対する効果を明らかにすることができると考えている。以上のように、非熱浴的フォノン環境の量子状態制御による量子ナノデバイスの動作効率の向上を実現するための、重要な研究課題の一部を解決することができた。一方で、前年度に明らかとなった非熱浴的フォノン環境の励起エネルギー支援効果を応用した量子ナノデバイスの基本的モデルの考察も始めた。基本的原理に関する研究と並行して進めることで、より効果的に研究を推進させることができる。さらに、本研究から派生した研究課題である階層的環境による量子緩和ダイナミクス、超蛍光－レーザークロスオーバー、量子熱力学などに関する研究も進め、新しい知見も得ることができた。
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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
本年度は、非熱浴的フォノン環境の量子状態と励起エネルギー支援効果が、観測過程に対してどのように依存するのかを明らかにし、観測過程によって非熱浴的フォノン環境の量子状態を制御できる可能性を示すことができた。また、単一フォノン環境の効果を取り扱うために、前年度までに導出した量子マスター方程式へ高次の相関関数を取り入れる拡張を行った。当初の研究計画では、単一フォノン量子状態の解析および制御まで踏み込んだ成果を目指すものであったが、本年度の研究ではその目標までは達成されていない。しかし、単一フォノン量子状態について取り扱うための理論的定式化の準備は完了しており、次年度の当初からすぐに取り掛かれる状況は整っている。さらに、本来は次年度に計画していた非熱浴的フォノン環境の効果を応用した量子ナノデバイスの基本モデルに関する考察をすでに始めており、基本原理に関する研究と具体的なデバイス応用に関する研究の両方を並行して進めることで、より効果的な研究成果を挙げることを目指している。本年度の研究成果はまだ学術論文として公表されていないが、すでに論文投稿のための執筆作業を進めている。以上より、おおむね計画通りに研究を進めることができていると考えている。
さらに、前年度と同様、当初の研究計画には含まれていなかった共振器ＱＥＤ系におけるレーザー－超蛍光クロスオーバー、階層的環境による量子緩和ダイナミクス、量子熱力学などに関する研究も進めることで、当初想定していた範囲以上に本研究の重要性や汎用性を示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、まず、本年度に高次の相関関数を取り入れる拡張を行った量子マスター方程式をもとに、単一フォノン量子状態が励起エネルギー移動にもたらす効果を明らかにする。さらに、観測過程よって単一フォノン量子状態の効果がどのように影響されるのかを議論する。それらの研究と並行して、非熱浴的フォノン環境の励起エネルギー移動支援効果を応用した量子ナノデバイスの基本モデルを提案し、最終的に、情報伝達時間や忠実度などのデバイスの動作効率を表す具体的な指標が、非熱浴的フォノン環境に対してどのように依存するのかを評価し、量子ナノデバイスの動作効率向上のための、非熱浴的フォノン環境の量子状態制御を理論的に提唱する。また、最終年度であるため、学術論文としての投稿や国内外学会での発表などによって、本研究成果を積極的に社会へ公表および還元する。本研究を進める上で派生した、共振器ＱＥＤ系におけるレーザー－超蛍光クロスオーバー、階層的環境による量子緩和ダイナミクス、量子熱力学などに関する研究も進め、非熱浴的環境と結合した非平衡開放系の量子ダイナミクスの物理を包括的に理解するとともに、量子ナノデバイスの高効率化へ向けた基本的な動作原理の解明を目指す。
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| Causes of Carryover |
【次年度使用額が生じた理由】
主な理由は以下の３つである。（１）データ解析用ソフトウェアの購入費を計上していたが、自ら開発した解析プログラムによって代用し、十分な解析を行うことができた。（２）海外で開催される国際会議への出張費を計上していたが、その学会よりも関連の大きい分野の国際会議が国内で開催されたため、そちらの国際会議へ参加し研究成果発表を行った。（３）論文掲載料を計上していたが、掲載料無料の学術雑誌へ論文を投稿し受理された。また、本年度の研究成果は、現在、学術論文として投稿するためにまとめている最中であり次年度に投稿する予定である。
【次年度使用額の使用計画】
使用計画として以下の２つを考えている。（１）本年度の研究成果のうち未発表のものをまとめて学術論文として公表するときの論文掲載料とする。（２）最終年度であるため、学術論文の投稿や国内外学会での発表による研究成果の公表を加速する考えである。その研究成果発表のための費用として使用する。
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