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2018 Fiscal Year Annual Research Report

ハイブリッド量子科学の理論的研究

Planned Research

Project AreaScience of hybrid quantum systems
Project/Area Number 15H05870
Research InstitutionNational Institute of Informatics

Principal Investigator

根本 香絵  国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 教授 (80370104)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 江藤 幹雄  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00221812)
松崎 雄一郎  日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子電子物性研究部, 研究主任 (10618911)
森 伸也  大阪大学, 工学研究科, 教授 (70239614)
Project Period (FY) 2015-06-29 – 2020-03-31
Keywords量子情報 / 量子計測 / 量子コヒーレンス / 半導体ナノワイヤ / 輸送現象 / 協同現象
Outline of Annual Research Achievements

ハイブリッド量子科学の基礎創成に向けて、理論の枠組みの構築と、ハイブリッド量子現象と応用の理論提案に取り組んだ。まず、ユニバーサルな量子共同現象の理論的枠組みの確立と、異なるハイブリッド系で示す多様な現象を明らかにした。また、ハイブリッド量子系の概念を拡張し、現象やプロトコルなどのハイブリッド化により新しい物理現象や応用の可能性を示した。量子計測では、量子センサを有するサーバーと、量子センサは持たないが高感度計測を行いたい顧客の二者がいる状況を考えて、顧客が情報漏洩の心配なくサーバーの量子センサにより情報を得るプロトコルを提案した。さらに一方向性の量子状態転送に着目し、初期状態を用意した後に状態が初期サイトから目標サイトまで自動的に転送されるプロトコルを提案した。
電子・フォトンのハイブリッド量子系では、量子ドットにTHz光を照射したときの光電流を考察した。まず単一量子ドットにおける光電流の表式を理論的に導き、平川グループ(フォノン班)の実験結果を説明した。次に、複数の量子ドットの並列系における光電流を定式化し、量子ドット間のエンタングルメント生成による光電流の増大機構を提案した。他に、カーボンナノチューブにおけるトポロジカル物性の研究成果を論文にまとめ、また電子・フォノンのハイブリッド系としての性質として、フランク・コンドン効果の輸送特性への影響を調べた。
非平衡グリーン関数法に基づくフォノン輸送シミュレータを用いて、グラフェンナノリボンの熱コンダクタンスを計算した。線形分散を示す面内モードと2次の分散を示す面外モード・フォノンによる熱コンダクタンスのナノリボン長依存性を調べた。その結果、面内モードの熱コンダクタンスは、リボン長の平方根に反比例する異常拡散性を示すのに対して、面外モードでは、通常の拡散に近いリボン長依存性を示すことを見いだした。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ハイブリッド量子科学の理論体系の確立とその応用を行うトップダウン的なアプローチと、実験グループとの協力により新しい物理現象の実現と実験結果解析及びフィードバックによるボトムアップ的なアプローチの両方において、インパクトの高い成果が出てきており、順調に研究が進展していると考える。また、実験との共同研究においても、電子スピンと核スピンのハイブリッド系や量子ドットとTHz光のハイブリッド系などで順調に研究が進んでおり、新しい研究成果が出てきている。さらに、ハイブリッド量子科学の基盤としてのシミュレータにおいても、計画通り進展している。また、ハイブリッド量子科学におけるハイブリッド化の概念の拡張により、当初予想されていなかった新しい発見が生まれており、研究課題全体を通して順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究成果をもとに研究をさらに発展させ、多様なハイブリッド量子系の理論的基礎を確立し、量子技術への応用方法を示すとともに、実験グループとの共同研究を進める。まず、ハイブリッド量子系の設計支援環境の構築を目指して本年度まで開発してきた各種シミュレータを用いて、次年度は、ファンデルワールスヘテロ構造デバイスの電子輸送シミュレーション、乱層グラフェンのモンテカルロ ・シミュレーション、熱輸送モンテカルロ・シミュレーション、赤外光検出器のデバイスシミュレーションを行い、実験班の測定結果の解析および設計支援を行う。
量子技術への応用では、特に量子多体系の相転移現象を用いた高感度測定についての研究を進める。相転移の近傍では、量子多体系は磁場に対して極めて敏感に反応することが知られており、この現象を磁場センサに用いる。少数量子ビットへの局所磁場の変化が、量子多体系全体の振る舞いが協調的な変化を引き起こすかどうかを理論的に検討する。
ハイブリッド量子系全体の振る舞いである協同現象は、ハイブリッド量子系の特徴的な量子統計的現象で、数理的な解析を行い、協同現象がもつ構造を明らかにする。多様な量子ハイブリッド系での新しい量子ダイナミクスを示し、励起子輸送などでの量子技術への応用方法を示す。さらに、量子ドットにTHz光を照射したときの光電流を定式化する。A02班と協力して、複数の量子ドットの並列系の示す光電流を研究し、ディッケ効果による光電流の増大機構、およびその検出方法を明らかにする。カーボンナノチューブ上に作製した2重量子ドットの電気伝導において、電子・フォノン相互作用の影響を調べる。Franck-Condon効果による電子とフォノン間のエンタングルメント生成を提案する。

Remarks

NII Open House 2018「量子コンピュータと量子技術:多様化するハイブリッド量子科学」(ポスター発表), 2018年6月22日~23日(於:国立情報学研究所)

  • Research Products

    (54 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 13 results,  Open Access: 3 results) Presentation (37 results) (of which Int'l Joint Research: 22 results,  Invited: 7 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] クイーンズランド大学/シドニー工科大学/ロイヤルメルボルン工科大学(オーストラリア)

    • Country Name
      AUSTRALIA
    • Counterpart Institution
      クイーンズランド大学/シドニー工科大学/ロイヤルメルボルン工科大学
  • [Int'l Joint Research] ウィーン工科大学(オーストリア)

    • Country Name
      AUSTRIA
    • Counterpart Institution
      ウィーン工科大学
  • [Int'l Joint Research] トロント大学(カナダ)

    • Country Name
      CANADA
    • Counterpart Institution
      トロント大学
  • [Journal Article] Quantum remote sensing with asymmetric information gain2019

    • Author(s)
      Yuki Takeuchi, Yuichiro Matsuzaki, Koichiro Miyanishi, Takanori Sugiyama, William J. Munro
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Pages: 022325/1-14

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.022325

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum multiplexing2019

    • Author(s)
      Nicolo Lo Piparo, William J. Munro,and Kae Nemoto
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Pages: 022337/1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.022337

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Topological classification of the single-wall carbon nanotube2019

    • Author(s)
      Rin Okuyama, Wataru Izumida, and Mikio Eto
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 115409/1-10

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.115409

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Quantum Metrology beyond the Classical Limit under the Effect of Dephasing2018

    • Author(s)
      Yuichiro Matsuzaki, Simon Benjamin, Shojun Nakayama, Shiro Saito, and William J. Munro
    • Journal Title

      Phys. Rev. Lett.

      Volume: 120 Pages: 140501/1-6

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.140501

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Robust quantum sensing with strongly interacting probe systems2018

    • Author(s)
      Shane Dooley, Michael Hanks, Shojun Nakayama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Journal Title

      npj Quantum Information

      Volume: 4 Pages: 24/1-7

    • DOI

      10.1038/s41534-018-0073-3

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Making the most of time in quantum metrology: concurrent state preparation and sensing2018

    • Author(s)
      Anthony J. Hayes, Shane Dooley, William J. Munro, Kae Nemoto, and Jacob Dunningham
    • Journal Title

      Quantum Sci. Technol.

      Volume: 3 Pages: 035007/1-12

    • DOI

      https://doi.org/10.1088/2058-9565/aac30b

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Environmental engineering for quantum energy transport2018

    • Author(s)
      Chikako Uchiyama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Journal Title

      npj Quantum Information

      Volume: 4 Pages: 33/1-7

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41534-018-0079-x

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Superradiant emission from colour centres in diamond2018

    • Author(s)
      Andreas Angerer, Kirill Streltsov, Thomas Astner, Stefan Putz, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, William J. Munro, Kae Nemoto, Joerg Schmiedmayer & Johannes Majer
    • Journal Title

      Nature Physics

      Volume: 14 Pages: 1168-1172

    • DOI

      https://doi.org/10.1038/s41567-018-0269-7

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quantum Multiplexing as a Resource Saver in Quantum Networks2018

    • Author(s)
      William J. Munro, Nicolo Lo Piparo, Kae Nemoto
    • Journal Title

      Proc. of 2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)

      Volume: ISSN: 2376-8614 Pages: 41-41

    • DOI

      10.1109/PHOSST.2018.8456694

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Universal Optical Modules for Quantum Network2018

    • Author(s)
      Kae Nemoto, Michael Hanks, Nicolo Lo Piparo, William J. Munro
    • Journal Title

      Proc. of 2018 IEEE Photonics Society Summer Topical Meeting Series (SUM)

      Volume: ISSN: 2376-8614 Pages: 43-43

    • DOI

      10.1109/PHOSST.2018.8456695

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Light Controlled Optical Aharhonov-Bohm Oscillations in a Single Quantum Ring2018

    • Author(s)
      H. Kim, S. Park, R. Okuyama, K. Kyhm, M. Eto, R. A. Taylor, G. Nogues, L. S. Dang, M. Potemski, K. Je, J. Kim, J. Kyhm, and J. Song
    • Journal Title

      NANO Letters

      Volume: 18 Pages: 6188-6194

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.8b02131

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Negative-temperature-state relaxation and reservoir-assisted quantum entanglement in double-spin-domain systems2018

    • Author(s)
      Yusuke Hama, Emi Yukawa, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 98 Pages: 052133/1-15

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevA.98.052133

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ergodic-localized junctions in periodically driven systems2018

    • Author(s)
      V. M. Bastidas, B. Renoust, Kae Nemoto, and W. J. Munro
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 98 Pages: 224307/1-10

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.224307

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Fano and Fano-Kondo resonance in double quantum dot in parallel2019

    • Author(s)
      Yujie Zhang and Mikio Eto
    • Organizer
      APS March meeting 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 環境制御によるエネルギー伝送ダイナミクス2019

    • Author(s)
      内山智香子,根本香絵
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 量子ドット集合系の光電流におけるディッケ効果2019

    • Author(s)
      江藤幹雄、奥山倫
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] Fano-Kondo effect in double quantum dot in parallel2019

    • Author(s)
      Yujie Zhang, 江藤幹雄
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] カーボンナノチューブ量子ドットの輸送現象におけるフランク・コンドン効果2019

    • Author(s)
      奥山倫、江藤幹雄
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 二つのドメインから成るスピン系における負温度スピン緩和現象と熱浴によって誘起された量子エンタングルメント2019

    • Author(s)
      濱祐介,湯川英美,ウィリアムマンロー,根本香絵
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] Novel nonlinear collective effects in hybrid quantum systems2018

    • Author(s)
      William J. Munro, Andreas Angerer, Stefan Putz, Kirill Streltsov, Thomas Astner, Dmitry O. Krimer, Hitoshi Sumiya, Shinobu Onoda, Junichi Isoya, Stefan Rotter, Joerg Schmiedmayer, Johannes Majer, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum teleinteraction: Entanglement-assisted LOCC protocol implementing multi-body interaction beyond space and time2018

    • Author(s)
      Shojun Nakayama and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Negative-Temperature State Relaxation and Reservoir-Assisted Quantum Entanglement in Double Spin Domain Systems2018

    • Author(s)
      Yusuke Hama, Emi Yukawa, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fast Generation of Macroscopic Superposition States by Coherent Driving Field2018

    • Author(s)
      Emi Yukawa, G. J. Milburn, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Environmental engineering for quantum energy transport2018

    • Author(s)
      Chikako Uchiyama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High-Fidelity Spin Measurement on the Nitrogen-Vacancy Center2018

    • Author(s)
      Michael Hanks, Michael Trupke, Joerg Schmiedmayer, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on challenges in Quantum Information Science (CQIS2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Negative-Temperature State Relaxation and Reservoir-Assisted Quantum Entanglement in Double Spin Domain Systems2018

    • Author(s)
      Yusuke Hama, Emi Yukawa, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      C3QS: Coherent Control of Complex Quantum Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] カーボンナノチューブにおけるトポロジカル物性2018

    • Author(s)
      江藤幹雄
    • Organizer
      物質科学シンポジウム:半導体物理、2次元物質科学の半世紀
    • Invited
  • [Presentation] Novel nonlinear collective effects in hybrid quantum systems: relaxation to negative temperatures2018

    • Author(s)
      William J. Munro, Yusuke Hama, and Kae Nemoto
    • Organizer
      CLEO: Science and Innovations 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Environmental engineering for quantum energy transport2018

    • Author(s)
      Chikako Uchiyama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      NetSci 2018 Satellite: Complex Quantum Networks
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Environmental engineering for quantum energy transport2018

    • Author(s)
      Chikako Uchiyama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      50 Symposium on Mathematical Physics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Scalability of quantum networks from a qubit to tomorrows quantum internet2018

    • Author(s)
      Kae Nemoto
    • Organizer
      The Quantum Internet; Charting the Critical Path
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum Multiplexing as a Resource Saver in Quantum Networks2018

    • Author(s)
      William J. Munro, Nicolo Lo Piparo, and Kae Nemoto
    • Organizer
      Summer Topicals Meeting Series 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Universal Optical Modules for Quantum Network2018

    • Author(s)
      Kae Nemoto, Michael Hanks, Nicolo Lo Piparo, and William J. Munro
    • Organizer
      Summer Topicals Meeting Series 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Topological properties in single-wall carbon nanotube of any possible chiralities2018

    • Author(s)
      Rin Okuyama, Wataru Izumida, and Mikio Eto
    • Organizer
      34th International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Coherent transport through double quantum dot interferometer in multi-terminal geometry2018

    • Author(s)
      Yujie Zhang and Mikio Eto
    • Organizer
      34th International Conference on the Physics of Semiconductors
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電子-フォノン連成系の量子輸送解析2018

    • Author(s)
      梶原 祐磨,森 伸也
    • Organizer
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第7回領域会議
  • [Presentation] ファンデルワースヘテロ構造におけるバンド間トンネル電流2018

    • Author(s)
      橋本 風渡,森 伸也
    • Organizer
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第7回領域会議
  • [Presentation] NEGF法を用いたグラフェンナノリボンのフォノン輸送解析2018

    • Author(s)
      森 伸也,上岡 剛士
    • Organizer
      新学術領域「ハイブリッド量子科学」第7回領域会議
  • [Presentation] Quantum transport device simulation based on real-space density functional theory and non-equilibrium Green's function method2018

    • Author(s)
      N. Mori, G. Mil'nikov, J. Iwata, and A. Oshiyama
    • Organizer
      International Union of Materials Research Societies - International Conference on Electronic Materials 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Nonequilibrium transport through double quantum dot in parallel2018

    • Author(s)
      Yujie Zhang, 江藤幹雄
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] 時空間相関を有する環境揺動によるエネルギー伝送制御2018

    • Author(s)
      内山智香子,根本香絵
    • Organizer
      日本物理学会2018秋季大会
  • [Presentation] Optical Control of the Silicon-Vacancy Center in Diamond2018

    • Author(s)
      Michael Hanks, Willam J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Environmental engineering for quantum energy transport2018

    • Author(s)
      Chikako Uchiyama, William J. Munro, and Kae Nemoto
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials (SSDM2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] [講演奨励賞受賞記念講演] 二つのドメインから成るスピン系における負温度スピン状態への緩和現象と量子エンタングルメント2018

    • Author(s)
      濱 祐介、湯川 英美、ウィリアム マンロー、根本 香絵
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] 弱く結合した多層グラフェンの電子輸送特性解析2018

    • Author(s)
      堅田 侑汰, 橋本 風渡,森 伸也
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 2次元材料における層間トンネル過程の非平衡グリーン関数解析2018

    • Author(s)
      三島 嵩也,橋本 風渡,森 伸也
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 散乱内電界効果を考慮した1次元半導体の電子輸送解析2018

    • Author(s)
      牧平 真太朗,森 伸也
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] Photocurrent through an array of quantum dots2018

    • Author(s)
      Mikio Eto
    • Organizer
      France-Japan Bilateral Workshop on Hybrid Quantum Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Superradiance and thermalization in hybrid quantum systems2018

    • Author(s)
      Kae Nemoto
    • Organizer
      AIP Congress 2018
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Ergodic-localized junctions in periodically-driven spin chains2018

    • Author(s)
      Victor M. Bastidas, B. Renoust, Kae Nemoto, and William. J. Munro
    • Organizer
      The 8th Workshop on Quantum Simulation and Quantum Walks
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] ハイブリッド量子科学

    • URL

      http://hybridqs.org/

URL: 

Published: 2021-01-27  

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