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量子ホールエニオン操作のためのトポロジカル量子技術

研究課題

研究課題/領域番号 22H00112
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分13:物性物理学およびその関連分野
研究機関東京大学 (2023-2025)
日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所 (2022)

研究代表者

橋坂 昌幸  東京大学, 物性研究所, 准教授 (80550649)

研究分担者 熊田 倫雄  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 特別研究員 (30393771)
伊與田 英輝  東海大学, 理学部, 准教授 (50725851)
秋保 貴史  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 研究主任 (50786978)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2025年度)
配分額 *注記
44,200千円 (直接経費: 34,000千円、間接経費: 10,200千円)
2025年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2024年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2023年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 32,760千円 (直接経費: 25,200千円、間接経費: 7,560千円)
キーワード分数量子ホール効果 / エニオン統計 / トポロジカル量子計算
研究開始時の研究の概要

非可換エニオンの交換によってエラー耐性の高いトポロジカル量子計算を実現できると理論予想されているが、個別の非可換エニオンに対して交換や測定を行うことは難しく、トポロジカル量子ビットは未だ実現していない。本課題では、半導体2次元電子系の分数量子ホール状態を用いて飛行型トポロジカル量子ビットを構成することを目指し、オンデマンドなエニオン操作のための基本デバイス作製に取り組む。並行して、占有率5/2分数量子ホール系の非可換エニオンに対するデバイス作製手法の確立、および複数のエニオン操作デバイスを組み合わせた飛行型量子ビットの実装方法の検討を行う。

研究実績の概要

本課題「量子ホールエニオン操作のためのトポロジカル量子技術」では、研究期間終了後も含めた長期目標として「分数量子ホール準粒子のエニオン統計を利用したトポロジカル量子ビットの作製」を設定する。この目標に向けて、研究期間中には、第一に基本デバイスである単一エニオン源およびエニオン量子干渉計の作製、第二にエニオンのダイナミクス制御に利用する高速電荷パルス生成技術の確立、第三に非可換エニオンを発現する高品質半導体ヘテロ構造の作製、第四にエニオン制御システムのアーキテクチャ提案を目指す。
令和5年度に研究代表者の橋坂が現所属の東京大学物性研究所に異動し、新しく研究室の立ち上げを行った。研究室メンバーの募集や実験環境の構築を行い、本課題の量子ホールエニオン研究の拠点形成に努めた。
量子ホールエッジ状態を用いたエニオン伝送に向けて、その電気およびエネルギー輸送特性を同時評価した実験について論文を発表した。またエニオン観測に用いる独自の高速・精密電流読み出し手法を開発し、論文として発表した。エッジ状態を用いたエニオンのMach-Zehnder干渉の観測に成功した。単一エニオン源の作製に向けて、世界最短の時間幅1.2 ps、空間幅4usの電荷波束生成に成功した。非可換エニオンを持つ偶数分母量子ホール状態の観測に向けて、半導体ヘテロ構造試料の高品質化に取り組んだ。エッジ状態を伝播するエニオンによる量子ビット作製に向けて、ブレーディングによる量子ゲート操作の結果を観測するための量子干渉計について検討した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

令和5年度に橋坂が現所属に異動し研究室の立ち上げを行ったため、分数量子ホールエニオンの量子干渉実験については遅れが生じている。しかし新しい研究室の発足は本課題を推進するためのエニオン研究拠点の形成を意味するため、長期的に大きな進展を期待できる状況を産み出すことができた。
現段階で量子ホールエッジ状態における電荷輸送とエネルギー輸送、およびエニオン検出に用いる精密電流測定系の開発について論文を発表している。これまでの成果について多くの国内・国外の研究会に招待されて講演を行っており、本課題の成果が大きな注目を集めていることが実績としてはっきりと示されている。
令和5年度の具体的な取り組みとして、Mach-Zehnder干渉実験の結果の解析が進み、エッジ状態の朝永ラッティンジャー液体的性質が電子波の干渉可視度に影響していることが分かった。このことは、朝永ラッティンジャー液体において分断化されたスピン励起の間に量子エンタングルメントが生成されることを意味する(橋坂・伊與田)。グラフェン試料におけるプラズモン波束伝播測定を行った。金属ゲート電極による電場遮蔽によってプラズモンが線形分散を持ち、伝播速度が1000 km/sのオーダーであることを示した。電気的に励起したプラズモン波束として世界最短の時間幅1.2 ps(空間幅4 um)を達成した(熊田)。異なる種類の試料ホルダーを用いて高易動度GaAs二次元電子ガス試料の結晶成長を行い、ホルダーからの脱ガスが試料品質に与える影響を調べ、従来よりも高易動度の試料作製に成功した(秋保)。ブレーディングデバイスおよびアーキテクチャの検討も順調に進んでいる。新たに国内外の研究者との連携研究計画も立ち上がりつつある。これらを総合すると、当初の計画以上に大きな飛躍が実現しつつあると判断できる。

今後の研究の推進方策

令和6年度に研究代表者の研究室に希釈冷凍機を導入する予定であり、これを用いて分数量子ホールエニオン観測のための極低温環境を整備する。これまでの整数量子ホール系のMach-Zehnder干渉実験の結果を論文として出版する。さらに、その知見を活かして分数量子ホールエッジ状態を用いたMach-Zehnder干渉の観測実験に着手する。
単一エニオン源の作製に向けて、グラフェンプラズモン波束の伝播に関する分散やロスを正確に理解し、論文にまとめる。プラズモンの動的制御に向けて、テラヘルツ領域の電気信号波形を成型する技術(テラヘルツ任意波形発生機:THz-AWG)の構築を目指す。
偶数分母量子ホール状態の観測に向けて、結晶成長装置の抜本的な真空度向上を目指す。これを実現するためにベーカブルクライオポンプを昨年度導入した。このポンプを使用した試料と使用していない試料を比較することで、高品質試料作製に必要な知見を積み上げ、半導体試料の更なる高品質化を試みる。
その他、エニオン観測のための更なる電気測定の精密化・高速化にも取り組み、新たに独自の精密電気測定技術として確立する。エニオンのブレーディングデバイス、およびアーキテクチャについての検討を進め、論文の執筆を進める。

報告書

(3件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2024 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 10件、 招待講演 12件) 備考 (4件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [雑誌論文] Coherent-Incoherent Crossover of Charge and Neutral Mode Transport as Evidence for the Disorder-Dominated Fractional Edge Phase2023

    • 著者名/発表者名
      Hashisaka Masayuki、Ito Takuya、Akiho Takafumi、Sasaki Satoshi、Kumada Norio、Shibata Naokazu、Muraki Koji
    • 雑誌名

      Physical Review X

      巻: 13 号: 3

    • DOI

      10.1103/physrevx.13.031024

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Fast time-domain current measurement for quantum dot charge sensing using a homemade cryogenic transimpedance amplifier2022

    • 著者名/発表者名
      Heorhii Bohuslavskyi, Masayuki Hashisaka, Takase Shimizu, Takafumi Akiho, Koji Muraki, Norio Kumada
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett.

      巻: 121 号: 18 ページ: 184003-184003

    • DOI

      10.1063/5.0118391

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Electrical and thermal transport through interacting fractional edge channels2024

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      ENS-UTokyo workshop on Physics
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coherent electron transport in a chiral Tomonaga-Luttinger liquid2024

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      The 1st U-Tokyo ISSP・RIKEN CEMS Collaboration Workshop
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Electron dynamics at boundaries of quantum many-body systems2024

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      第22回極限宇宙オンラインコロキウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Transformation of topological edge modes due to the interplay of Coulomb interaction and tunnel couplings2023

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      International Workshop on CNRS-Industry Collaborations (IWCIC)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Bias-induced decoherence in a Mach-Zehnder interferometer consisting of spin-resolved copropagating edge channels2023

    • 著者名/発表者名
      T. Shimizu, M. Hashisaka, E. Iyoda, A. Endo, S. Katsumoto, N. Kumada
    • 学会等名
      The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Coherent-Incoherent Crossover of Charge and Neutral Mode Transport at a Fractional-Integer Quantum Hall Junction2023

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Coherent-Incoherent Crossover of Charge and Neutral Mode Transport as Evidence for the Disorder-Dominated Fractional Edge Phase2023

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka, T. Ito, T. Akiho, S. Sasaki, N. Kumada, N. Shibata, and K. Muraki
    • 学会等名
      Quantum Phenomena in 2D Matter (QP2DM)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Edge dynamics at a fractional-integer quantum Hall interface2023

    • 著者名/発表者名
      M. Hashisaka
    • 学会等名
      The 12th workshop on Semiconductor/Superconductor Quantum Coherence Effect and Quantum Information
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子ホールエッジ状態間のアンドレーエフ反射型電荷散乱2023

    • 著者名/発表者名
      橋坂昌幸
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 分数量子ホール系の電荷輸送と熱輸送2023

    • 著者名/発表者名
      橋坂昌幸
    • 学会等名
      東北大通研共同プロジェクト研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Ultrafast On-chip Readout of Propagating THz Graphene Plasmon Wavepackets2023

    • 著者名/発表者名
      K. Yoshioka, B. Guillaume, T. Wakamura, M. Hashisaka, K. Watanabe, T. Taniguchi, and N. Kumada
    • 学会等名
      The 25th International Conference on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems (EP2DS-25)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] グラフェンテラヘルツエレクトロニクス2023

    • 著者名/発表者名
      熊田倫雄
    • 学会等名
      ニューダイヤモンドフォーラム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast Carrier Dynamics in Graphene Investigated by Terahertz Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      Norio Kumada
    • 学会等名
      Germany-Japan Workshop on Recent Developments in Quantum Materials and Nanoscale Devices
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 分数量子ホール系におけるエニオンの観測と制御2023

    • 著者名/発表者名
      橋坂昌幸
    • 学会等名
      固体におけるエニオンと分数統計粒子研究の最前線
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 半導体ナノ構造を用いた量子多体効果の観測と制御2023

    • 著者名/発表者名
      橋坂昌幸
    • 学会等名
      ナノ構造体・機能性薄膜を中心とする異分野交流研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] スピン分離した並走エッジチャネル電子干渉計におけるバイアス誘起デコヒーレンス2023

    • 著者名/発表者名
      清水貴勢, 橋坂昌幸, 伊與田英輝, 遠藤彰, 勝本信吾, 熊田倫雄
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] オンチップテラヘルツ分光法によるグラフェンプラズモン伝播の実時間計測2023

    • 著者名/発表者名
      吉岡克将, 若村太郎, 橋坂昌幸, 渡邊賢司, 谷口尚, 熊田倫雄
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 並走エッジチャネル電子干渉計におけるエッジ間相互作用の効果2023

    • 著者名/発表者名
      伊與田英輝, 清水貴勢, 橋坂昌幸
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Ultrafast carrier dynamics in graphene2023

    • 著者名/発表者名
      Norio Kumada
    • 学会等名
      Moriond Meso 2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] A hallmark of disordered reconstructed-edge transport at a fractional-integer quantum Hall junction2022

    • 著者名/発表者名
      Masayuki Hashisaka, Takuya Ito, Takafumi Akiho, Satoshi Sasaki, Norio Kumada, Naokazu Shibata, Koji Muraki
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 分数・整数量子ホール界面の再構成エッジ状態におけるコヒーレント輸送2022

    • 著者名/発表者名
      橋坂昌幸、伊藤拓哉、秋保貴史、佐々木智、熊田倫雄、柴田尚和、村木康二
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [備考] 東京大学物性研究所橋坂研究室ホームページ

    • URL

      https://hashisaka.issp.u-tokyo.ac.jp/index.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] NTT物性科学基礎研究所量子固体物性研究グループホームページ

    • URL

      http://www.brl.ntt.co.jp/group/butsuryo-g/index-j.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] 伊與田英輝ホームページ

    • URL

      https://sites.google.com/site/iyodaeiki/home

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書 2022 実績報告書
  • [備考] 東京大学物性研究所橋坂研究室ホームページ

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] テラヘルツ領域におけるグラフェンプラズモン波束の制御を可能にするデバイス2023

    • 発明者名
      吉岡克将、熊田倫雄、若村太郎、橋坂昌幸
    • 権利者名
      吉岡克将、熊田倫雄、若村太郎、橋坂昌幸
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 外国

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2025-06-20  

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