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2017 年度 実績報告書

偏光もつれ光子対から電子スピン対への量子もつれ相関の転写技術の開発とその実証

公募研究

研究領域ナノスピン変換科学
研究課題/領域番号 17H05177
研究機関東京大学

研究代表者

松尾 貞茂  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (90743980)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2019-03-31
キーワード量子状態転写 / GaAs量子ドット / 量子もつれ相関 / もつれ光子対
研究実績の概要

光子電子スピン変換系は量子中継器への応用だけでなく、異種量子ビット間の変換やもつれの研究を行う舞台として魅力的である。本研究では、単一光子偏光から単一電子スピンへの量子状態転写の実証、もつれ光子対から電子スピンと光子偏光との異種量子ビット間のもつれ状態の実現、さらにもつれ光子対から電子スピン対への量子状態転写の実証を目標としている。
まず、昨年度得られた光学スピン閉塞効果を用いた量子状態転写の実証実験において、ゼーマン分裂した軽い正孔の高エネルギー側での量子状態転写の実験証拠が不十分であったため、より高精度な読み出し手法(二重量子ドットでのスピン閉塞効果を用いたスピン読み出し)を用いて単発での量子状態転写の観測実験を行った。その結果、生成されるスピンが光偏光に依存しており、それが量子状態転写から期待される相関を持つことが明らかになった。これらの結果により、単一の光子偏光から電子スピンへの量子状態転写が実証された。
加えて、ドットスピンと偏光とのもつれ相関の生成実験のため、もつれ光子対のエネルギーの狭帯域化を行った。具体的には半値幅の狭い(3 nm)バンドパスフィルタで狭帯域化を行い、これにより減少したもつれ光子生成率を向上するためパルスレーザーの時間幅をピコ秒から100フェムト秒へと短パルス化した。これにより、昨年度の電子光子対の生成実験の際に用いたもつれ光子対の同時検出効率10 kHzと同程度の同時検出効率(3 kHz)を持つ狭帯域のもつれ光子対源の生成に成功した。

現在までの達成度 (区分)
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

単一光子から単一電子への量子状態転写はゼーマン分裂した軽い正孔の高エネルギー、低エネルギー状態それぞれに対して異なる手法により実証した。これにより、一つ目の提案は実現された。
また、もつれ光子対から光子偏光-電子スピンへと量子もつれ相関を転写する実験に関して、上記の単一偏光スピンの量子状態転写が実証されたこと、これまでに光子対から電子と光子の対が生成され、その同時検出にも成功していることから、間接的には量子もつれ相関が光子対から偏光-スピンの対への転写が実証されたといえる。より直接的に上記のもつれ相関の転写を実証するために必要なもつれ光子対の狭帯域化にも成功した。これは、本研究計画だけでなく、光子対からスピン対への量子状態転写の実証にも必須の技術であり、これが達成されたことは非常に大きな前進である。

今後の研究の推進方策

まず、光子対から電子スピン光子偏光の対へと量子もつれ相関が転写されていることを実証する研究では、実際に狭帯域化したもつれ光子対源を用いて片方の光子を量子ドットに照射してそのスピンを単発読み出しにより測定し、同時に検出される光子偏光の測定を行う。この相関を検証することにより、直接的にもつれ光子対から光子と電子へと量子もつれ相関が転写されたことを実証する。
さらに、光子対から電子対へのもつれ相関の転写に関しては、二重量子ドットへ本年度生成したもつれ光子対の二つの光子を共に照射し、二つの電子が同時に生成される事象の測定をまず行う。その後、スピンの単発読み出しにおいて使用している二重量子ドットでのスピン閉塞効果の実時間測定により生成された電子の持つスピン間の相関を測定しs、もつれ相関が転写されていることを実証する。このために必要となる実験技術として、光子対から出る二つの光子を同一光軸上にのせることがあげられる。これをまず実現するため、来年度の上半期は光学系のさらなる改善に取り組む

  • 研究成果

    (35件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (26件) (うち国際学会 10件、 招待講演 5件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Ruhr大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Ruhr大学
  • [国際共同研究] カリフォルニア大学/New York 大学(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      カリフォルニア大学/New York 大学
  • [国際共同研究] 北京大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      北京大学
  • [雑誌論文] Equal-Spin Andreev Reflection in Junctions between Spin-resolved Quantum Hall Bulk State and Superconductor2018

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, Kento Ueda, Shoji Baba, Hiroshi Kamata, Mizuki Tateno, Javad Shabani, Christopher Palmstrom, Seigo Tarucha,
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 3454

    • DOI

      0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Cooper pair splitting in two parallel InAs nanowires2018

    • 著者名/発表者名
      Shoji Baba, Christian Junger, Sadashige Matsuo, Andreas Baumgartner, Yosuke Sato, Hiroshi Kamata, Kan Li, Soren Jeppesen, Lars Samuelson, Hongqi Xu, Christian Schonenberger, Seigo Tarucha,
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 1802 ページ: 08059

    • DOI

      0

    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] A single eletron-photon pair generation from a single polarization-entangled photon pair2017

    • 著者名/発表者名
      Kazuyuki Kuroyama, Marcus Larsson, Sadashige Matsuo, Takafumi Fujita, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, Akira Oiwa, Seigo Tarucha,
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 7 ページ: 16968

    • DOI

      0

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Gate tunable parallel double quantum dot in InAs double-nanowire junctions2017

    • 著者名/発表者名
      Shoji Baba, Sadashige Matsuo, Hiroshi Kamata, Russell S. Deacon, Akira Oiwa Kan Li, S. Jeppesen, L. Samuelson, Hongqi Xu, Seigo Tarucha,
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 111 ページ: 233513

    • DOI

      0

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Magnetic Field Inducing Zeeman Splitting and Anomalous Conductance Reduction of Half-integer Quantized Plateaus in InAs Quantum Wires2017

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, Hiroshi Kamata, Shoji Baba, Russell Deacon, Javad Shabani, Christopher Palmstrom, Seigo Tarucha,
    • 雑誌名

      Phys. Rev. B (R)

      巻: 96 ページ: 201404

    • DOI

      0

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Photon-spin quantum interface using gate-defined quantum dots2018

    • 著者名/発表者名
      Akira Oiwa, Takafumi Fujita, Kazuyuki Kuroyama, Sadashige Matsuo, Rio Fukai, Haruki KIyama, Arne, Ludwig, Andreas Wieck, and Seigo Tarucha
    • 学会等名
      2018 Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems (WINDS 2018)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Josephson emission of InAs nanowire Josephson junctions2018

    • 著者名/発表者名
      H. Kamata, R. S. Deacon, S. Matsuo, K. Li, H. Q. Xu, K. Ishibashi, S. Tarucha
    • 学会等名
      The 2nd international symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] 超伝導体Al-並列二重InAsナノ細線-超伝導体Alデバイスでの電子輸送のゲート操作2018

    • 著者名/発表者名
      上田健人, 松尾貞茂, 鎌田大, 佐藤洋介, 武重有祐, K. Li, S. Jeppesen, L. Samuelson, H. Q. Xu, 樽茶清悟
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] InAs量子井戸に形成された1次元電子系の朝永-ラッティンジャー液体的性質2018

    • 著者名/発表者名
      佐藤洋介, 松尾貞茂, 上田健人, 武重有祐, 鎌田大, J. S. LeeC.B. Shojaei, C. Palmstrom, 都倉康弘, 樽茶清悟
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] Single-shot measurement of quantum state transfer from photon polarization to electron spin2018

    • 著者名/発表者名
      S. Matsuo, K. Kuroyama, J. Muramoto, K. Heya, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. Wieck, A. Oiwa, S.Tarucha
    • 学会等名
      平成29年度スピン変換年次報告会
  • [学会発表] Towards electrical field tuning of topological crystalline insulator:SnTe2018

    • 著者名/発表者名
      Y. Takeshige, K. Ueda, Y. Sato, M. Kamata, R. Nakanishi, K. Miyauchi, R. Akiyama, S. Hasegawa, S. Matsuo, S. Tarucha
    • 学会等名
      8th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
  • [学会発表] 半導体ナノ細線 /超伝導体ハイブリッド構造でのマヨラナ粒子の探索2018

    • 著者名/発表者名
      松尾貞茂
    • 学会等名
      第65回応用物理学会秋季学術講演会
    • 招待講演
  • [学会発表] Experimental Observation of Andreev Reflection on Junctions of Spin-resolved Quantum Hall Bulk State and Superconductor2017

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, Kento Ueda, Shoji Baba, Hiroshi Kamata, Javad Shabani, Christopher Palmstrom, and Seigo Tarucha
    • 学会等名
      TOP-SPIN3 Spin and Topological Phenomena in Nanostrucutres-Towards Topological Materials Science
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Observation of Cooper pair splitting from superconductor to parallel coupled two InAs nanowires2017

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, S. Baba, C. Juenger, Y. Sato, K. Li, H.Q. Xu, C. Schonenberger, A. Oiwa, S. Tarucha
    • 学会等名
      2nd Japan-China International Workshop on Quantum Technologies, Ito International Research Center, the University of Tokyo
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Experimental study of exotic transport in superconductor-semiconductor hybrid systems2017

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, Shoji Baba, Yosuke Sato, Kento Ueda, Hiroshi Kamata, Seigo Tarucha
    • 学会等名
      The second international conference on Quantum Information、Quantum Topological Orders and Emergent Spacetime on Quantum Simulators
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Andreev reflection in junctions of spin-resolved InAs quantum Hall bulk state and superconductor NbTi2017

    • 著者名/発表者名
      Sadashige Matsuo, Kento Ueda, Shoji Baba, Hiroshi Kamata, Javad Shabani, Christopher Palmstrom, and Seigo Tarucha
    • 学会等名
      28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of quantum state transfer from polarized photons to electron spins using optical Pauli blockade effect2017

    • 著者名/発表者名
      K. Kuroyama, M. Larsson, S. Matsuo, T. Fujita, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. Wieck, A. Oiwa, S.Tarucha
    • 学会等名
      28th International Conference on Low Temperature Physics (LT28)
    • 国際学会
  • [学会発表] Cooper pair splitter realized in superconductor-InAs double nanowire junctions2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sato, S. Baba, C. Juenger, S. Matsuo, H. Kamata, K. Li, H.Q. Xu, C. Schoenenberger, S. Tarucha
    • 学会等名
      International Conference on Topological Materials Science 2017 (TopoMat2017)
    • 国際学会
  • [学会発表] Josephson radiation of InAs nanowire Josephson junctions2017

    • 著者名/発表者名
      H. Kamata, R. S. Deacon, S. Matsuo, S. Baba , K. Li, H. Q. Xu, K. Ishibashi, S. Tarucha
    • 学会等名
      22nd International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems (EP2DS-22)/18th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-18)
    • 国際学会
  • [学会発表] Observation of Crossed Andreev Reflection on superconductor-InAs double nanowire junction device2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sato, S. Baba, C. Juenger, S. Matsuo, H. Kamata, K. Li, H.Q. Xu, C. Schoenenberger, S. Tarucha
    • 学会等名
      22nd International Conference on Electronic Properties of Two Dimensional Systems (EP2DS-22)/18th International Conference on Modulated Semiconductor Structures (MSS-18)
    • 国際学会
  • [学会発表] 偏光もつれ光子対から電子スピン対への量子もつれ相関の転写技術の開発とその実証2017

    • 著者名/発表者名
      松尾貞茂
    • 学会等名
      第2期公募研究採択課題 研究計画発表会
  • [学会発表] 並列二重InAsナノ細線と超伝導体アルミニウムの接合デバイスにおける電子輸送制御2017

    • 著者名/発表者名
      上田健人、松尾貞茂、鎌田 大、佐藤洋介、武重有祐、K. Li、S. Jeppesen、K. Deppert、 L. Samuelson、H. Q. Xu、樽茶清悟
    • 学会等名
      第22回スピン工学の基礎と応用 PASPS-22
  • [学会発表] InAs量子井戸にエッチング形成された1次元系の朝永―ラッティンジャー液体的性質2017

    • 著者名/発表者名
      佐藤洋介、松尾貞茂、上田健人、武重有祐、鎌田 大、J. S. Lee、B. Shojaei、 C. Palmstrom、都倉康弘、樽茶清悟
    • 学会等名
      第22回スピン工学の基礎と応用 PASPS-22
  • [学会発表] 偏光もつれ光子対による単一光子-電子対の生成2017

    • 著者名/発表者名
      黒山和幸、Marcus Larsson、松尾貞茂1、藤田高史、Sacha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, 大岩 顕、樽茶清悟
    • 学会等名
      第22回スピン工学の基礎と応用 PASPS-22
  • [学会発表] InAs量子井戸/NbTi接合でのスピン分離した量子ホールバルク状態におけるア ンドレーエフ反射の観測2017

    • 著者名/発表者名
      松尾貞茂、上田健人、馬場翔二、鎌田 大、館野瑞樹、Javad Shabani、Chris J. Palmstrom、樽茶清悟
    • 学会等名
      第22回スピン工学の基礎と応用 PASPS-22
  • [学会発表] Al-InAs量子井戸から作製した超伝導接合の輸送特性.22017

    • 著者名/発表者名
      松尾貞茂、館野瑞樹、馬場翔二、上田健人、佐藤洋介、鎌田大、Joon Sue Lee、Borzoyeh Shojaei、Christopher Palmstrom、樽茶清悟
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] 並列二重InAsナノ細線と超伝導体の接合におけるクーパー対分離の観測2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sato, S. Baba, C. Juenger, Sadashige Matsuo, A. Baumgatner,Hiroshi Kamata , K. Li, H.Q. Xu, C. Schonenberger, A. Oiwa, S. Tarucha
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] GaAs横型量子ドットにおける光学的スピン閉塞効果を用いた量子状態転写の実証.22017

    • 著者名/発表者名
      K. Kuroyama, Marcus Larsson, K.Yabe, Sadashige Matsuo, T.Fujita, Sascha R. Valentin, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, A. Oiwa, S. Tarucha
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] Exclusive Excitation on Spin-Resolved Light Hole in a Gate Defined GaAs Quantum Dot2017

    • 著者名/発表者名
      S. Matsuo, K. Kuroyama, M. Larsson, K. Heya, T. Fujita, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. Wieck, A. Oiwa, S. Tarucha
    • 学会等名
      平成29年度スピン変換研究会
  • [学会発表] Cooper pair splitting on a junction of an Al superconductor and InAs double-nanowire2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Sato, S. Baba, C. Juenger, S. Matsuo, A. Baumgatner, H. Kamata, K. Li , H.Q. Xu, C. Schonenberger, S. Tarucha
    • 学会等名
      7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
  • [学会発表] Generation of a single electron-photon pair from a single polarization-entangled photon pair2017

    • 著者名/発表者名
      S. Matsuo, K. Kuroyama, M. Larsson, T. Fujita, S. R. Valentin, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, S. Tarucha
    • 学会等名
      7th Summer School on Semiconductor/Superconducting Quantum Coherence Effect and Quantum Information
  • [備考] http://www.meso.t.u-tokyo.ac.jp/

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-02-28  

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