光子-電子スピン量子インターフェース
量子暗号通信では、コヒーレンス時間が長く長距離の量子情報伝送に適した光子が研究されてきた一方で、量子計算では、原子、イオン、超伝導接合など様々な候補が独自に研究されてきました。こうした研究が成熟してきた近年、2つの異なる量子系を融合させて新しい量子力学的機能を作り出すという研究が基礎物理と量子情報処理への応用の両面で重要になってきています。我々は単一の光子の持つ偏光状態と、量子ドット中の単一の電子スピン状態への量子状態変換の研究を行っています。このような光－スピン量子インターフェースは、光子による長距離量子情報通信の実現に必要な量子中継の技術に不可欠です。GaAs系量子ドットにおける単一光生成電子の検出と角運動量転写
量子ドット中の電子スピンはスピン量子ビットとして、スピン操作（1量子ゲート）や2量子ゲート操作が実現されており、更なる多ビット化へと研究が著しく進展しております。ここで光とコヒーレントに結ぶ量子インターフェースができれば、スピン量子ビットの有用性は大きく広がります。これまでGaAs/AlGaAs 2次元電子系を使って形成される量子ドットを用いてきました。この近傍に量子ポイントコンタクトと呼ばれる1次元チャンネルを作製すると単一電子以下の感度を持つ高感度電荷計として使うことができるという大きな特徴があります。この電荷計を使い、単一ドットで単一光子が生成した単一電子の検出に成功しました[1]。最近では、2重量子ドットのドット間共鳴トンネルを利用することで、単一光生成電子の非破壊検出を実現し[2,3]、さらに単一光生成電子スピンを実時間で検出することに成功しています。続けて照射する単一光子の偏光を変えると、検出される上向きと下向きのスピンの確率が偏光に応じて変化すること確認し、単一量子間での角運動量転写を実証しました。
現在は単一光子と単一電子スピン間の量子状態転写の実証を目指しています。将来的には、量子もつれ光子源を導入して光とスピンの量子もつれ状態や遠隔2地点の2スピン量子ビット間のもつれ生成など、新しい形の固体量子効果の研究を目指しています。光子の他、広い意味で、コヒーレンス時間や量子状態の制御性など異なる特徴を持つ2つ以上の異種物理系の量子複合構造を舞台にして、量子状態の転写やそれによって初めて可能になる新しい量子効果の発見を目指しています。
図． 光子偏光-電子スピン間量子ビット転写の媒体となる量子ドットデバイス。表面の金属電極に印加する電圧でポテンシャルを作り、単一光励起電子スピンの補足を可能にする。
参考文献
- "Angular momentum transfer from photon polarization to an electron spin in a gate-defined quantum dot" Takafumi Fujita, Kazuhiro Morimoto, Haruki Kiyama, Giles Allison, Marcus Larsson, Arne Ludwig, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Akira Oiwa, and Seigo Tarucha Nature Communications 10, 2991 1-6 (2019).
- "Single photoelectron detection after selective excitation of electron heavy-hole and electron light-hole pairs in double quantum dots", K. Morimoto, T. Fujita, G. Allison, S. Teraoka, M. Larsson, H. Kiyama, S. Haffouz, D. G. Austing, A. Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha, Phys. Rev. B 90, 085306 (2014)
- "Non-destructive Measurement of Single Photo-electrons by Inter-dot Tunneling in a Double Quantum Dot", T. Fujita, H. Kiyama, K. Morimoto, S. Teraoka, G. Allison, A.Ludwig, A. D. Wieck, A. Oiwa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 110, 226803 (2013).
- "Single-Shot Detection of Electrons Generated by Individual Photons in a Tunable Lateral Quantum Dot", A. Pioda, E. Totoki, H. Kiyama, T. Fujita, G. Allison, T. Asayama, A. Oiwa, and S. Tarucha, Phys. Rev. Lett. 106, 146804 (2011).