2022 Fiscal Year Annual Research Report
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
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20H02559
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
高田 真太郎 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, 主任研究員 (90805144)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小寺 哲夫 東京工業大学, 工学院, 准教授 (00466856)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 表面弾性波 / 量子電子光学 / 飛行量子ビット / 量子ドット / 量子細線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
当該年度は本研究課題の２つの研究項目のうち、1. GaAs/AlGaAs半導体二次元電子系における量子電子光学実験に向けた基盤技術の開発と2.Si電子系における単一電子移送の実現のうち、特に研究項目１に大きなリソースを割いて研究を推進した。昨年度の研究成果である表面弾性波によって運ばれる単一飛行電子の飛行中の位置分布測定の知見を利用し、単一飛行電子対するビームスプリッタとして機能する結合量子細線に対して２個の電子を同期して注入し、２電子の衝突実験を行った。その結果、２個の電子が遅延なく同時にビームスプリッタに入射した場合に、ビームスプリッタの２つの出力に１個ずつ電子が現れる確率が上昇するアンチバンチングと呼ばれる現象を観測することに成功した。一般にアンチバンチングは電子がフェルミ粒子としての統計性を有することから生じる現象として説明されるが、本実験では観測されたアンチバンチングの起源が主に電子間のクーロン相互作用に起因するものであることを明らかにした。
当該年度は昨年度までに開発した単一のポテンシャルの底を持つ表面弾性波パルスを用いた量子電流源の開発にも取り組んだ。その結果、表面弾性波の単一パルスと静電圧で定義される量子細線を組み合わせることで、オンデマンドな単一電子源、及びその連続動作により量子電流源を実現した。
研究項目２に関しては、引き続きSi電子系に表面弾性波による動的な電気ポテンシャルの波を導入するための圧電帯薄膜の最適化を継続して行った。
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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
当該年度に得られた成果である単一飛行電子の衝突実験によるアンチバンチングの観測は、従来はアンサンブル測定で行われてきたアンチバンチングの観測を単一飛行電子に対する単発測定で行った世界初の実験であり、学術的に大きなインパクトを与えるものである。また、この２電子の衝突実験において我々は電子間に働くクーロン相互作用の大きさを見積もることに成功しており、その強さが量子電子光学実験において２電子間に量子もつれを導入するために十分な強度を持っていることを実証した。これは、我々が用いている結合量子細線が単一飛行電子に対する位相制御器として働くことも示している。さらに、当該年度に実現した表面弾性波の単一パルスを用いた量子電流源は、並列化が容易なことから大電流化への応用が期待でき、実用的な量子電流源として微小電流計測への応用が期待できる。このような成果から、GaAs系における量子電子光学実験に向けた基盤技術の開発に関しては、当初計画を超える大きな進展が見られたと言える。一方で、Si電子系への表面弾性波の導入については、上述のGaAs系の研究に大きなリソースを費やした結果、継続して圧電帯薄膜の最適化を行うに留まった。これら２つの研究項目を全体としてみると、プロジェクト全体としてはおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
GaAs/AlGaAs半導体二次元電子系における量子電子光学実験に向けた基盤技術の開発に関しては、当該年度の研究で位相制御器については実現の目途が立ったため、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た研究に取り組む。具体的には、結合量子細線のトンネル結合を実時間的に制御することで、飛行する単一電子の量子状態に関する知見を集め、制御の最適化を行うことでその実現を目指す。また、当該年度に実現した表面弾性波の単一パルスを用いた量子電流源に関して、その動作精度を向上させるための新しいアイディアが出てきたため、その検証実験を行う予定である。
Si電子系における単一電子移送の実現に関しては、現状GaAsのプロジェクトに大きなリソースが取られている状態ではあるが、引き続き圧電帯薄膜の最適化を続け、Si電子系に表面弾性波を導入し電子を運ぶ実験の実現に向けて取り組む。
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