散逸を伴う量子状態制御・測定の研究

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K03479
• 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
• キーワード: 振動電場 / 量子ドット / 電子スピン / 非平衡状態 / フォノン / 量子マスター方程式

研究実績の概要

昨年度から継続して、熱浴とトンネル結合した二重量子ドットに2電子が占有された系とマイクロ波が結合した系の動的特性を調べた。特にスピン・軌道相互作用の効果は吸収スペクトルの反交差周波数分離で調べることができる。しかしながら、マイクロ波の強度を大きくしていると、スピン・軌道相互作用の大きさとは無関係な大きな無吸収状態があることがわかった。これを詳しく調べると、スピン三重項状態の重ね合わせである「暗状態」が形成されており、これは量子光学の分野のコヒーレント・ポピュレーション・トラッピング状態と同等のものであることが分かった。熱浴と結合し非平衡状態であるにも関わらずこの様な安定した状態が形成されるという結果には新奇性があると考える。
非平衡状況下の量子ドット系のダイナミクスのモデルとして、非平衡フォノン場と結合した二重量子ドット系の検討を継続して進めた。非平衡フォノンが存在するとフォノンの吸収と放出を伴う2フォノン過程が顕在化する。この過程を Real-time diagram の手法を用いて解析し、無限次までの寄与の部分和をとることにより実験と定量的な比較が可能な結果を得ることができた。
量子ドットCを含むアハラノフ・ボーム(AB)干渉計と静電的に結合した量子ドットDによりCの電荷状態を測定するセットアップを考える。AB干渉計を貫く位相の効果は間接的に量子ドットDの線形コンダクタンスの振動成分に現れる。この振動の様子を相互作用に関しては最低次の摂動理論で理論的に調べた。AB干渉計の2端子が非平衡となると振動成分はオンサガー・ビュティカー対称性を破るが、非平衡の入れ方（有限バイアスと有限温度差）によってその様子が異なることを見出した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

二準位系の散逸に関し、動的制御を扱う定式化を進めその物理的妥当性を様々なモデルで検証できたと認識している。特に、Real-time diagram の手法は汎用性が高く、今後さらに研究ツールとして活用したい。一方当初予定で考えていた、non-Hermite ダイナミクスに関しては、関係する研究は活発に進められているようだが単なるモデルとして導入するのは危険であると考えている。その物理的背景に注意して進めることを考えている。一方もっとも汎用性のある量子ダイナミクスは完全正定値トレース保存写像であり、これの逆過程として Petz リカバリーマップも大きな注目を集めている。これを用いた量子ダイナミクスの定量的な評価について研究に着手し、エントロピー生成や散逸に適用することを考えている。以上の点から、研究の進捗は概ね計画通りであると結論できる。

今後の研究の推進方策

量子フィードバックに関しては、制御する物理量としてさらに多様なものも考慮して進める予定である。また電荷測定の反作用として量子ゼノン効果に着目し、これが散逸に与える影響について詳しく調べていく。量子ドット系の電子と非平衡フォノン系と結合した系のダイナミクスは実験グループと協力し、完全計数統計の手法も活用して検討を進める予定である。外部パラメタを時間的に制御した開放系の解析はPetz リカバリーマップを用いたより一般的な検討を加える予定である。

研究成果

• [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 ページ: 195421-1, 11
  • 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 ページ: 828-1, 22
  • DOI: 10.3390/e21090828
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Indirect Acquisition of Aharonov-Bohm Phase via the Coulomb Interaction and Breakdown of Onsager-Buttiker Symmetry (2019)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Kubo and Yasuhiro Tokura
  • 雑誌名: Journal of Physical Society of Japan 巻: 88 ページ: 054717-1, 7
  • 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, and Seigo Tarucha
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 99 ページ: 155304-1, 14
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.99.155304
  • 査読あり / 国際共著
• [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
• [備考] 研究室web page
  • URL: http://www.u.tsukuba.ac.jp/~tokura.yasuhiro.ft/index.html