散逸を伴う量子状態制御・測定の研究

• 研究課題/領域番号: 18K03479
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 都倉 康弘 筑波大学, 数理物質系, 教授 (20393788)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2021-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2020年度)
• 配分額: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2020年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2019年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2018年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 量子状態制御 / 電子スピン / 量子ドット / 非平衡状態 / フォノン / 位相干渉現象 / スピン・軌道相互作用 / 振動電場 / 量子マスター方程式 / 量子測定 / 散逸 / 量子フィードバック

研究成果の概要

量子系の制御に関する研究を行なった。熱浴とトンネル結合した二重量子ドット中の2電子スピン状態に注目しマイクロ波の振動電場によるコヒーレントな制御を考察した。Floquet 量子マスター方程式で解析し、制御パラメタの入れ方に非常に敏感であること、マイクロ波強度が大きくなると暗状態が実現することを見出した。また量子ドット中のフォノンとの結合の効果を考慮すると、通常の緩和過程に加え、マイクロ波振幅に依存した位相緩和現象、また非平衡フォノンに特有の新しいスピンダイナミクスも見出した。また微小な量子系の量子連続測定の反作用の効果や電荷測定により位相の情報を取得できることを見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究で得られた知見により、量子ドット中の電子のコヒーレント制御の効果を高める指針が得られた。また今回考察した方法により量子ドット中のスピン・軌道相互作用の大きさを見積もるための条件を明らかにでき、スピンを用いた量子情報処理に向けて有益な知見が得られた。またマイクロ波の振幅の増大が、単に量子系の制御速度を向上させるだけでなく、暗状態の生成や位相緩和レートの増大、ラビ振動の飽和をもたらすなど様々な非線形効果をもたらすことを見出したことは、量子系の制御速度には原理的な上限があることを示し、今後の量子情報処理系の設計に関わる重要な知見をもたらした。

研究成果

• [雑誌論文] Microwave spectroscopy of spin-orbit coupled states: energy detuning versus interdot coupling modulation (2020)
  • 著者名/発表者名: G. Giavaras and Yasuhiro Tokura
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 128 号: 15
  • DOI: 10.1063/5.0023122
  • 査読あり
• [雑誌論文] Probing the singlet-triplet splitting in double quantum dots: Implications of the ac field amplitude (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Giavaras and Yasuhiro Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 100 号: 19
  • DOI: 10.1103/physrevb.100.195421
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum adiabatic pumping in Rashba-Dresselhaus-Aharonov-Bohm interferometer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura
  • 雑誌名: Entropy 巻: 21 号: 9 ページ: 828-828
  • DOI: 10.3390/e21090828
  • NAID: 120007163361
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Coulomb interaction-induced Aharonov-Bohm oscillations (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Kubo and Y. Tokura
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 88 号: 5 ページ: 054717-054717
  • DOI: 10.7566/jpsj.88.054717
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strong Electron-Electron Interactions of a Tomonaga--Luttinger Liquid Observed in InAs Quantum Wires (2019)
  • 著者名/発表者名: Yosuke Sato, Sadashige Matsuo, Chen-Hsuan Hsu, Peter Stano, Kento Ueda, Yuusuke Takeshige, Hiroshi Kamata, Joon Sue Lee, Borzoyeh Shojaei, Kaushini Wickramasinghe, Javad Shabani, Chris Palmstrom, Yasuhiro Tokura, Daniel Loss, Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 15 ページ: 155304-155304
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.155304
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectroscopy of double quantum dot two-spin states by tuning the interdot barrier (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Giavaras and Y. Tokura
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 号: 7
  • DOI: 10.1103/physrevb.99.075412
  • 査読あり
• [雑誌論文] Field-dependent hopping conduction (2018)
  • 著者名/発表者名: T.Hayashi, Y.Tokura, A.Fujiwara
  • 雑誌名: Physica B 巻: 541 ページ: 19-23
  • DOI: 10.1016/j.physb.2018.04.019
  • 査読あり
• [学会発表] 超吸収現象を用いた量子熱機関 (2021)
  • 著者名/発表者名: 上村俊介、箱嶋秀昭、松崎雄一郎、吉田恭、都倉康弘
  • 学会等名: 日本物理学会第76回年次大会
• [学会発表] ホッピング伝導における電位分散の温度依存性 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林稔晶、都倉康弘、藤原聡
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] カイラルエッジチャネル間の相互作用による緩和と相関 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小澤槙也、吉田恭、都倉康弘
  • 学会等名: 日本物理学会2020年秋季大会
• [学会発表] Quantum adiabatic pumping with modulating electron phase (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura
  • 学会等名: 2019 Work- shop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS)
  • 国際学会
• [学会発表] AC spectroscopy of the singlet-triplet spin-orbit gap in double quantum dots (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Giavaras and Y. Tokura
  • 学会等名: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019 (HQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Real-time observation of spin-flip tunneling processes driven by a nearby phonon source (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Kuroyama, S. Matsuo, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, Y. Tokura, and S. Tarucha
  • 学会等名: International Symposium on Hybrid Quantum Systems 2019 (HQS2019)
  • 国際学会
• [学会発表] Enhanced spin flip rate by two-phonon processes from a hot spot (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura, Kazuyuki Kuroyama, Sadashige Matsuo and Seigo Tarucha
  • 学会等名: Conference Frontiers of Quantum and Mesoscopic Thermodynamics (FQMT) 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Spin resonance in double quantum dot by tuning the interdot barrier (2019)
  • 著者名/発表者名: G. Giavaras and Y. Tokura
  • 学会等名: Tenth International School and Conference on Spintronics and Quantum Information Technology (SpintechX)
  • 国際学会
• [学会発表] Fidelity of strongly driven electric dipole spin resonance (2019)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura
  • 学会等名: March meeting of American Physical Society
• [学会発表] Strongly driven electric dipole spin resonance (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura
  • 学会等名: 4th School and Conference on Spin-Based Quantum Information Processing (Spin-Qubit 4)
  • 国際学会
• [学会発表] Adiabatic and diabatic dynamics in quantum systems (2018)
  • 著者名/発表者名: Yasuhiro Tokura
  • 学会等名: Int. Symp. Frontiers of Quantum Transport in Nano Science (QTNS)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Current antiresonance in spin-orbit coupled double quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: Giorgos Giavaras and Yasuhiro Tokura
  • 学会等名: The 19th International Symposium on the Physics of Semiconductors and Applications
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum diffusive analysis of two electron spins in double quantum dots (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Suzuki, S. Kato, K. Yoshida and Y. Tokura
  • 学会等名: 10th Biannual Conference on Quantum Dots (QD2018)
  • 国際学会
• [備考] 研究室 web page
  • URL: http://www.u.tsukuba.ac.jp/~tokura.yasuhiro.ft/index.html
• [備考] 研究室web page
  • URL: http://www.u.tsukuba.ac.jp/~tokura.yasuhiro.ft/index.html