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ナノテク情報

物性・原理

単一光子から単一電子スピンへ情報の変換に成功 ~長距離量子暗号通信や量子インターネットの基本技術の1つを検証~

 大阪大学・東京大学・国立研究開発法人理化学研究所(理研)・同 科学技術振興機構(JST)・ルール大学ボーフムは2019年7月16日,大阪大学産業科学研究所の藤田 高史助教と大岩 顕教授,理研創発物性科学研究センターの樽茶 清悟副センター長(研究当時 東京大学大学院工学系研究科教授),ルール大学ボーフムのAndreas D. Wieck教授らの研究グループが,開発を続けてきたゲート制御型の半導体量子ドット構造を改良して,単一粒子レベルで角運動量が光子から電子へと移されることを実証し,単一光子から作られた単一電子スピンを捉えて,その情報を読み取ることに成功したと共同発表した.本研究はJSTの戦略的創造研究推進事業(CREST)他の支援を受け,成果は英国科学誌Nature Communicationsに掲載された(注).

 量子計算機の構成要素となる量子ビットとして,半導体(GaAs)量子ドット中での単一電子のスピン状態を制御するデバイスが盛んに研究されている.長距離量子暗号通信や,量子計算機を量子力学的に接続してネットワーク形成する量子版インターネットを実現するには,半導体量子ドットと外界との通信を可能にする光との情報変換が必要となる.しかし,室温から照射される光の情報を希釈冷凍機の極低温(25mK)で初めて動作する電子スピンに対応させるには,量子ビットに対する精密な電圧制御が光照射によって崩れてしまうため,光励起で生成された電子・正孔対から電子スピンを検出することは困難であった.したがって,単一光子から単一電子スピンへ変換したときに,そのスピン情報を保って状態変換する技術が切望されていた.

 従来は一つの量子ドットを使って,光で励起した電子を捉えることとスピンの読み取りの両方を実現しようとしていた.これに対し,本研究グループは二つの量子ドットを使い,隣接してトンネル効果で結合された電子スピンを新たに配置する(量子ドット間距離:200nm)ことにより,光の影響を受けにくい安定したスピンの読み取りが可能になると考えた.この二重量子ドットに参照用の単一電子スピンを配置する方法では,パウリのスピンブロッケード(二つの電子スピンが平行である場合はトンネル結合しない)によって生成した単一電子スピンに対して光照射の影響が打ち消される.そこで量子ドットと電子スピンの移動・捕捉の電場を作り出す,幅数十nmの微細電極を配置したデバイスを作り,円偏光(波長:785nm,パルス幅:3ps,光子数:~3/shot)を照射して右円偏光から左円偏光へと光子の状態を変えるにつれ変換後の単一電子スピンが反転する様子を観測し,単一光子・単一電子間で正しくスピン情報が転写されていることを実証した.

 今後はこの技術を量子情報の単一光スピン検出器として利用し,重ね合わせ状態やもつれ状態にある円偏光などの光源を使い,小規模な量子計算機を結合することや傍受不可能な暗号通信の長距離化(量子中継),将来的には量子インターネットへの貢献が期待される,としている.

(注)Takafumi Fujita, Kazuhiro Morimoto, Haruki Kiyama, Giles Allison, Marcus Larsson, Arne Lud-wig, Sascha R. Valentin, Andreas D. Wieck, Akira Oiwa & Seigo Tarucha, "Angular momentum transfer from photon polarization to an electron spin in a gate-defined quantum dot", Nature Communications, Vol. 10, Article number: 2991 (2019), DOI: 10.1038/s41467-019-10939-x; Published: 16 July 2019