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近年、量子情報処理分野の発展は目覚ましく、量子ドット・光子・イオントラップ・NMRなど様々な物理系において、量子情報処理の最小構成要素である量子ビットの研究がなされている。これらの量子ビットはそれぞれに長所と短所を持ち合わせている。光子やイオントラップ、NMRを用いた量子ビットは非常に長いコヒーレンス時間を持つが、集積化や多ビットへの拡張は困難である。一方、量子ドット内のスピンや励起子などを用いた量子ビットは、コヒーレンス時間は比較的短いものの、集積化や多ビットへの拡張が容易である。このことから、光子は量子情報の通信に適しており、固体素子は量子計算に適していることがわかる。したがって光子を用いた量子ビットと量子ドットを用いた量子ビットとを組み合わせることにより、互いの長所を生かした新しい量子情報処理技術を生み出すことが可能となる。
本研究は光子の偏光状態を利用した量子ビットと量子ドット内のスピンの自由度を利用した量子ビットとの絡み合い状態を用いた量子情報処理デバイス(量子ゲート)を提案と、量子ゲートとしての動作を記述するための微視的な理論を構築し、その動作特性・動作限界を明らかにすることを目的としている。
本年度は、光子の偏光から電子のスピンへと量子情報を転写することが可能な半導体量子ドット構造について、そのバンド構造とg因子解析を行った。また、電子スピンのデコヒーレンスの主な原因となるホールとの交換相互作用について研究を行い、共鳴トンネル構造を用いることによりホールの高速な引き抜きが可能でることをしめした。このこのにより、電子のコヒーレンスを長時間保つことが可能となる。
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