高効率量子ドット量子光源の作製と空間伝送量子暗号通信への応用に関する研究

• 研究課題/領域番号: 18681025
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: マイクロ・ナノデバイス
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 熊野 英和 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (70292042)
• 研究期間 (年度): 2006 – 2008
• 研究課題ステータス: 完了 (2008年度)
• 配分額: 28,860千円 (直接経費: 22,200千円、間接経費: 6,660千円); 2008年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2007年度: 10,660千円 (直接経費: 8,200千円、間接経費: 2,460千円); 2006年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
• キーワード: 単量子デバイス / 単一光子光源 / もつれ合い光子対発生 / 相関光子対発生 / 単一量子ドット / 光子-電子スピン変換 / 光子相関測定 / もつれあい光子対 / 偏光相関光子対 / 光子バンチング / スピン反転

研究概要

将来の量子鍵配送システム全体として考えた場合、ファイバー系と相補的な役割が期待される空間伝送量子鍵配送に向け、大気の透過率が高くかつSi 単一光子検出器の検出感度とマッチングの良いナノ構造として単一In0.75Al0.25As 量子ドットを形成し、励起エネルギー選択による純度の高い単一光子発生を実現した。さらに、後段での暗号化の際の偏光変調のため高い円偏光度を持つ単一光子の発生を実現した。すなわち、発光エネルギーに対して光学フォノンのエネルギー分高い準位を共鳴的に励起した場合、零磁場中にもかかわらず0.85 と著しい円偏光度の上昇が観測され、電子スピンと光子偏光の間での高効率での状態変換が可能であることが示された。レート方程式解析の結果、InAs LO フォノン共鳴励起下ではスピン反転確率が7.5%以下に抑制され、また荷電励起子基底状態におけるスピン緩和時間は発光再結合寿命の11 倍程度であることが判った。この値は中性励起子のスピン反転時間の約3 倍であり、交換相互作用の無い荷電励起子におけるスピン状態の安定化という、応用に向けて重要な特徴が顕在化された結果と考えられる。これらの成果は、波長短波化した量子ドットによる空間伝送量子暗号通信への展開を展望する上で、非常に大きな意義を持つ。

研究成果

• [雑誌論文] Excitonic spin-state preservation mediated by optical-phonon resonant excitation in a single quantum dot (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, H. Kobayashi, S. Ekuni, Y. Hayashi, M. Jo, H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, and I. Suemune
  • 雑誌名: Phys. Rev B 78
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly circular-polarized single photon generation from a single quantum dot at zero magnetic field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kobayashi, H. Kumano, M. Endo, M. Jo, I. Suemune, H. Sasakura, S. Adachi, and S. Muto
  • 雑誌名: Microelectron. Journal 39 ページ: 327-330
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single photon emission with high degree of circular polarization from a single quantum dot under zero magnetic field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, H. Kobayashi, Y. Hayashi, M. Jo, I. Suemune, H. Sasakura, S. Adachi, and S. Muto
  • 雑誌名: Physica E 40 ページ: 1824-1827
  • 査読あり
• [雑誌論文] Excitonic spin-state preservation mediated by optical-phonon resonant excitation in a single quantum dot (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano et.al.
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 78
  • 査読あり
• [雑誌論文] Superconductor-based Light Emitting Diode : Demonstration of Role of Cooper Pairs in Radiative Recombination Processes (2008)
  • 著者名/発表者名: Y. Hayashi et.al.
  • 雑誌名: Appl.Phys.Express 1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Single photon emission with high degree of circular polarization from a single quantum dot under zero magnetic field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano et.al.
  • 雑誌名: Physica E 40 ページ: 1824-1827
  • 査読あり
• [雑誌論文] "Detailed Measurements of Nuclear Spin Polarizations in a Single InAl As Quantum Dot Through Overhauser Shift of Photoluminescence" (2007)
  • 著者名/発表者名: R. Kaji, S. Adachi, H. Sasakura, S. Muto, H. Kumano, and I. Suemune
  • 雑誌名: J. Supercond. 20 ページ: 447-451
  • 査読あり
• [雑誌論文] "Luminescence Study on Evolution from Te Isoelectronic Centers to Type-II ZnTe Quantum Dots Grown by Metalorganic Molecular-beam Epitaxy" (2007)
  • 著者名/発表者名: M. Jo, M. Endo, H. Kumano, and I. Suemune
  • 雑誌名: J. Cryst. Growth 301-302 ページ: 277-280
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deterministic single-photon and polarization-correlated photon pair generations from a single InAlAs quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, S. Kimura, M. Endo, H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, and I. Suemune
  • 雑誌名: J. Nanoelectron. Optoelectron 1 ページ: 39-51
  • NAID: 120000952930
  • 査読あり
• [雑誌論文] Triggered single-photon emission and cross-correlation properties in InAlAs quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, S. Kimura, M. Endo, I. Suemune, H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, H. Z. Song, S. Hirose, and T. Usuki
  • 雑誌名: Physica E 32 ページ: 144-147
  • 査読あり
• [雑誌論文] Origin of asymmetric splitting of a neutral exciton in a single semiconductor quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: I. Suemune, H. Kumano, S. Kimura, H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, H. Z. Song, S. Hirose, and T. Usui
  • 雑誌名: phys. Stat. sol c 3 ページ: 3908-3911
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deterministic single-photon and polarization-correlated photon pair generations from a single InAlAs quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: 熊野 英和
  • 雑誌名: J. Nanoelectronics and Optoelectronics 1 ページ: 39-51
  • NAID: 120000952930
• [雑誌論文] Origin of asymmetric splitting of a neutral exciton in a single semiconductor quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: 末宗 幾夫
  • 雑誌名: physica status solidi (c) 3 ページ: 3908-3911
• [雑誌論文] Triggered single-photon emission and cross-correlation properties in InAlAs quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: 熊野 英和
  • 雑誌名: Physica E 32 ページ: 144-147
• [学会発表] Photon Generations from Semiconductor Quantum Dots and Their Applications to Next-Generation Information Technology (2008)
  • 著者名/発表者名: I. Suemune, H. Kumano, Y. Hayashi, M. Jo, and Y. Idutsu
  • 学会等名: 2008 International Symposium on Global COE Program of Center for Next-Generation Information Technology based on Knowledge Discovery and Knowledge Federation
  • 発表場所: Sapporo, Japan
• [学会発表] Optical-phonon Mediated Efficient Spin-state Transfer between Electron-spin and Photon-polarization with a Single Quantum Dot without External Field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, S. Ekuni, H. Kobayashi, H. Sasakura, I. Suemune, S. Adachi and S. Muto
  • 学会等名: 8th International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures
  • 発表場所: Tokyo, Japan
• [学会発表] Spin-flip quenching during energy relaxation processes mediated by optical-phonons in a single quantum dot (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, H. Kobayashi, S. Ekuni, H. Sasakura, I. Suemune, S. Adachi and S. Muto
  • 学会等名: The 5th International Conference on Semiconductor Quantum Dots
  • 発表場所: Gyeongju, Korea
• [学会発表] Photon-state conversion with well-defined spin states in a single quantum dot without magnetic field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, S. Ekuni, H. Sasakura, S. Adachi, S. Muto, and I. Suemune
  • 学会等名: 29th International Conference on the Physics of Semiconductors
  • 発表場所: Rio de Janeiro, Brazil
• [学会発表] Photon-state conversion with well-defined spin states in a single auantum dot without maanetic field (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano
  • 学会等名: 29th International Conference on the Physics of Semiconductors (ICPS2008)
  • 発表場所: Rio de Janeiro, Brazil
• [学会発表] Highly circular-polarized photon generation from a single quantum dot at zero magnetic field (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kobayashi, H. Kumano, M. Endo, M. Jo, I. Suemune, H. Sasakura, S. Adachi, and S. Muto
  • 学会等名: The Sixth international Conference on Low Dimensional Structures and Devices
  • 発表場所: The Archipelago of San Andres, COLOMBIA
• [学会発表] High degree of circular polarization single photon emission from a single quantum dot under non-resonant excitation and zero magnetic field (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, H. Kobayashi, Y. Hayashi, M. Endo, I. Suemune, H. Sasakura, S. Adachi, and S. Muto
  • 学会等名: International conference on Modulated Semiconductor Structures
  • 発表場所: Genova, Itary
• [学会発表] "High degree of circular polarization single photon emission from a single quantum dot under non-resonant excitation and zero magnetic field" (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano
  • 学会等名: International conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS13)
  • 発表場所: Genova Magazzini del Cotone, Genova, Itary
• [学会発表] "Highly circular-polarized photon generation from a single quantum dot at zero magnetic field" (2007)
  • 著者名/発表者名: H. Kobayashi
  • 学会等名: The Sixth international Conference on Low Dimensional Structures and Devices (LDSD)
  • 発表場所: The Archipelago of San Andres,COLOMBIA
• [学会発表] Polarization preservation between a photon pair from biexciton-exciton cascaded decay process in a single InAlAs quantum dot (2006)
  • 著者名/発表者名: H. Kumano, S. Kimura, M. Endo, S. Adachi, H. Sasakura, S. Muto, and I. Suemune
  • 学会等名: 28th International conference on the Physics of Semiconductors
  • 発表場所: Vienna, Austria
• [備考]
  • URL: http://nanophoto.es.hokudai.ac.jp/