2015 Fiscal Year Annual Research Report
量子ドットを使った光子－スピン間の量子状態転写と非局所もつれ生成の研究
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25246005
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 倫久 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (00376493)
樽茶 清悟 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40302799)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子ドット / 量子状態転写 / もつれ光子対 / 量子中継 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）単一光子検出効率の向上
今年度は量子状態変換の実験の実現と将来の現実的な量子中継技術のために高効率な光子－電子変換に向けた試みを行っている。一つは量子井戸での吸収が主な要因である内因的変換効率を向上させるため、DBR（分散ブラッグ反射鏡）構造を設けた量子井戸基板をドイツルール大ボーフムと共同して作製し、設計通りの共鳴波長で反射率が高くなることを確認した。また励起効率の高い重い正孔からの量子状態転写を可能にするため面内磁場に対して重い正孔のg因子がゼロでない(110)GaAs量子井戸を同じくドイツのグループと共同で作製し、量子状態転写をアンサンブルで実証するため時間分解磁気光学効果測定を開始した。 同じく重い正孔から量子状態転写が可能と期待され、予備的に研究を進めていたInAs自己形成ドットにおいて、光生成単一電子検出に必要な電荷検出を示唆する結果を得た。
光ビームスポットと量子ドットのサイズの違いが主要因である外因的変換効率を向上し、量子ドットのみへ効率よく光子を捕捉するため、ビームスポットよりも大きい大面積検出器で高効率に光子を吸収し、生成された単一電子の輸送と検出を行うように、大受光面積光検出部を持つ量子ドット素子を着想した。今年度は量子ポイントコンタクトを備えた大面積2次元電子受光素子を作製し、量子ポイントコンタクトを使った光生成スピンと重ね合わせ状態の検出を試みた。以上の通り、量子状態変換実証実験遂行に不可欠な高効率変換の技術を着実に確立しつつある。
２）もつれ光子源を用いた単一光子検出
主に東大グループが、もつれ光子源を構築し、もつれ光子の一つの光子を量子ドットへ照射し、もう片方の光子を単一光子検出器で検出し同時検出の相関を調べる実験に着手した。これまで、量子ドットの電荷計の信号と単一光子検出器の信号を解析し、同時検出を示唆する結果が得られつつある。
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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
高効率変換を実現するためのDBR基板や(110)GaAs量子ドットなど計画通り作製できている。単一光子－単一電子変換の効率向上の実証には至っていないが、評価では共鳴波長での反射率の増大など概ね設計通りの特性が得られており、順調に遂行できているといえる。その他、大面積受光部を使った高効率光子吸収による変換効率改善の着想は当初計画にはなかったもので、単一光子―単一電子スピン変換を高効率にする効果的な方法であり、応用を広げる可能性がある点で重要な進展である。またもつれ光子対を導入する研究では、量子ドットへのもつれ光子照射を開始しており、次年度に光子とスピン非局所もつれ生成実験へ展開する準備ができており、順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
DBR基板を使った量子井戸の単一光子検出から光子―電子変換の効率改善を実証する。(110)GaAs量子井戸基板では、前半に磁気光学効果によりアンサンブルで量子状態変換の実証を目指す。重い正孔はg因子が軽い正孔よりも小さいため、回折格子を用いてレーザーのスペクトル幅を100μeVほどまで狭め、ゼーマン分裂の片方の重い正孔のスピン状態を励起する。並行してこの基板を使って2重量子ドットを作製し、重い正孔から単一電子励起とスピン検出の実現とその検出効率の評価を行い、高効率に量子状態変換が可能であることを示す。また(110)基板上の量子ドットは申請者の知るところ実験例がないので、スピン緩和の異方性などスピン軌道相互作用の寄与を系統的に調べ新しい知見を得ることも検討する。さらに(110)基板上の量子ドットを使い、偏光の重ね合わせ状態から電子スピン重ね合わせ状態への変換の部分的実証を最終年度に試みる。
大面積受光素子では、量子ポイントコンタクトと量子ドットを作製し、受光部から量子ドットへ光生成単一電子を電場によって輸送し、量子ドットへ捕捉することで電荷を検出することを目指し、高効率に捕捉できることを評価する。
またもつれ光子対を使った実験では、量子ドットにおける電荷検出の高速化を図り、単一光子検出器と単一電子電荷計との同時検出の信頼性を向上させる。そのうえで、量子ドットにおける光生成単一電子スピン検出と組み合わせ、光子と電子スピンの非局所もつれの実証にも着手する。また大阪大学でのもつれ光子源の立ち上げも継続して行う。
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