| 研究課題/領域番号 |
26220710
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
樽茶 清悟 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (40302799)
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| 研究分担者 |
山本 倫久 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (00376493)
大岩 顕 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (10321902)
松尾 貞茂 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90743980)
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| 研究期間 (年度) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| キーワード | 3スピン量子ビット / 高速ラビ振動 / 集団緩和抑制 / 電子対分離 / 超伝導-ナノ細線接合 / もつれ光子対 / 量子状態変換 |
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| 研究実績の概要 |
(1)3重量子ドットに関して高速測定の導入により量子もつれの集団位相緩和を一桁上改善できること、3電子の励起状態を利用して遠隔もつれ状態が制御できることを示した。4重量子ドットではスピン閉塞状態の制御、４スピンのコヒーレント回転を実現した。いずれも世界初の成果。加えて、磁石法によるスピン操作の精度向上、量子ホール状態を利用した新スピン選別、スピン閉塞を利用した核スピン偏極操作を提案、実証した。
(2)表面弾性波で動く量子ドット中の2電子を分離する実験において分離効率を正確に求めるための電流雑音測定を検討した。また、単一電子の伝送中にスピンが保存することを実験実証した。
弾道領域にある長いグラフェンのジョセフソン接合における臨界電流の振る舞いを実験的に解明した。また、同接合において、量子ホール状態を介した超伝導流を初めて観測した。これはクーパー対がグラフェンの両端を分離して流れることを意味する。
(3)トポロジカル絶縁体HgTeのジョセフソン接合によるマヨラナ実験を開始し、奇数番のシャピロステップが消失するという、マヨラナ状態の観測に成功した。高品質InAs量子井戸で作った細線で無磁場の半整数量子化伝導度プラトー、ゼーマン分裂を観測した。並列二重細線（自己形成）の作製技術を開発し、細線中の2重ドットの存在を確認した。また、InSb量子井戸の実験を開始し、安定な量子ポイントコンタクトの作製方法を確立した。
(4)GaAs量子ドットで光学スピン閉塞効果を観測し、光電子のコヒーレント生成を初めて確認した。さらに、もつれ光子対の片側で生成した電子と残りの光子の同時検出に成功した。また、重い正孔からの高効率量子状態転写のため、(110)GaAs量子井戸基板を作製して時間分解磁気光学効果と量子輸送の測定を開始し、また、並列InAs自己形成ドット接合では光生成単一検出のための電荷検出を実現した。
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| 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
(1)年度計画を全て達成し、それ以上に高速測定によるもつれ状態の集団位相緩和の予想を上回る大幅な改善、4重ドットでは、予定のスピンブロッケードを終えて、次年度計画である4スピン共鳴を達成、さらに新スピン選別法の提案と実証、新核スピン制御法の提案など、本課題の達成に向けて計画以上、計画外の成果を得た。
(2)単一電子スピンの伝送によって、単一電子スピントロニクスへの道が拓けてきた。
グラフェン－超伝導接合では、ジョセフソン接合の支配的なエネルギースケールに応じた臨界電流の振る舞いや量子ホール状態を介した超伝導流を初めて観測した。これらはいずれも超伝導デバイスの基本に関わり、今後の同分野における研究の道標となる重要な成果である。
(3)マヨラナ粒子に関しては世界的に実証実験が続いている。新たに始めたトポロジカル絶縁体HgTeの交流ジョセフソン効果の実験でマヨラナ粒子の新しい痕跡をとらえた。予想以上の成果である。InAs細線では、マヨラナ粒子観測の鍵とされる高品質化を達成した。同細線を用いて無磁場での半整数プラトーを観測した。これは長年の懸案である発現機構の解明に迫る重要な結果である。また、並列二重ナノ細線の評価はパラフェルミオン実験に重要なデータを提供している。InSb量子井戸基板の開発には予定より時間がかかったが、量子ポイントコンタクトの作製法はすでに確立できた。
(4)光子偏光から量子ドット中の電子スピンへの量子状態転写の実証に、光学スピン閉塞効果の観測という手法で成功した。これにより量子中継器に必要な3要素の一つを検証した。また、もつれ光子対から生成した電子と光子の同時検出は、スピンと光子偏光に角運動量相関を転写できることを示唆しており、今後のもつれ相関の転写、技術応用に極めて重要な結果である。加えて正孔からの量子状態転写の実証実験や量子ドット作製のための技術開発は計画にそって進んでいる。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)27年度の成果を基に、さらなる多ビット化（４，５ビット化）の技術開発、3ビットによる論理ゲート実証とゲート操作忠実度の改善、多スピンもつれ制御、デコヒーレンス問題の本質的解消を可能にするシリコン材料への技術移植など、当初計画を上回る高いレベルでの課題達成に向けて研究を加速する。
(2)電子対分離に加えて、単一電子のスピンを伝送できることが確認できたので、これを用いた量子もつれの検証実験へと進む。グラフェン－超伝導接合の実験では、クーパー対分離の効率を高める実験に引き続き取り組む。その過程では、ホール効果（量子ホール効果、バレーホール効果）を利用したクーパー対分離も検討する。
(3)HgTeの実験を継続し、シャピロ実験の対となる、放出雑音電流測定によるマヨラナ粒子観測を目指す。超伝導-ナノ細線接合に関して、高品質量子井戸と超伝導体の接合品質を改善し、超伝導接合でのアンドレーエフ反射の観測を目指す。また、自己形成ナノ細線では、並列二重ナノ細線と超伝導体との接合デバイスを作製し、それぞれのナノ細線へのクーパー対分離現象の観測を行う。さらに、より高品質な超伝導半導体接合の実現のため、エピタキシャル成長された超伝導体半導体基板の微細加工技術を確立する。また、InSb量子井戸基板を用いで量子ポイントコンタクトを作製し、１次元伝導の観測を目指す。
(4)光子電子変換は、本年度得た光子電子の同時検出結果の解析を行い、光子電子の対生成の効率を評価する。さらに、微細加工技術を改良し、光子電子変換効率が向上するかを検証する。また、電荷検出時間の高速化を行い、電荷検出時間5 usecを達成する。時間分解磁気光学効果測定により(110)GaAs量子井戸において重い正孔から光―スピンへの量子状態転写の実証を目指すとともに、(110)GaAs量子ドット作製のため技術の確立を目指す。
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