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主担当者:鯨岡 真美子、光武 慧、佐々木 雅英
試料作製担当:赤羽浩一、山本直克 (先端ICTデバイスグループ、フォトニックデバイスラボ)

量子情報処理は、従来の情報処理では不可能・不得意な情報処理を可能にする全く新しい技術であり、私達の生活を豊かにするよりよい情報通信社会を実現する 夢の技術です。将来量子情報処理を現実のものにするためには、集積化・デバイス化などの観点から、量子情報の基本的なしくみを固体で実現することが必要不 可欠です。その素子の候補の一つとして、半導体をナノサイズ(約1億分の1メートル)の粒に加工した“半導体量子ドット”が挙げられます。特に我々の取り 扱う量子ドットは、歪補償法という特殊な方法を用いて作製したInAs量子ドットであり、通信波長帯で発光することや、150層に及ぶ積層構造が可能であ ることなどが特長として挙げられます。我々はこの歪補償量子ドットを対象として、超高速光パルスによる非線形分光技術を駆使することにより、励起子のラビ 振動制御や位相緩和時間の評価・制御、また将来固体量子メモリを実現するための原理実証実験を行なっております。

歪補償量子ドットにおけるラビ振動制御

励起子のエネルギーに共鳴する光を照射すると、結晶の基底状態と励起子状態の間をコヒーレントに行ったり来たりする現象が起こります。これをラビ振動と言 い、量子ゲート操作を可能にする重要な光学過程であることが知られています。我々は歪補償量子ドットを対象として、入射する光パルスの強度(パルス面積) を変化させることにより励起子ラビ振動を制御することに成功いたしました。特に通信波長帯でこのようなラビ振動制御に成功している研究グループは他にあり ません。また非線形分光技術の一つであるフォトンエコー法を用いることにより、励起子の基底状態を直接共鳴励起することや、励起子の偏光状態に依存したラ ビ振動を観測できることも他にはない特長となっております。観測されたラビ振動は理想的な2準位系に対するラビ振動の振る舞いと大きく異なっていることが 明らかとなり、そのメカニズムに関する検討を行なっております。

図1
(図1)
(左)歪補償量子ドットの結晶構造 (右)フォトンエコー法により観測したラビ振動とその偏光依存性

歪補償量子ドットにおける位相緩和時間の評価

量子重ね合わせ状態を安定に保つことのできる時間を、位相緩和時間と言います。量子情報処理を実現するためには、位相緩和時間を長くすることが必要不可欠 です。従って、位相緩和時間の評価や制御、位相緩和のメカニズム解明が重要なテーマとなっております。これまでは単一量子ドットの発光線幅から位相緩和時 間を見積もる方法が一般的でしたが、この方法では100ピコ秒を超える長い位相緩和時間を測定することや、励起子基底状態を共鳴励起することは困難でし た。そこで我々は、超高速光パルスによるフォトンエコー法を用いて、歪補償量子ドットにおける励起子の位相緩和時間の評価を行なっています。通常量子ドッ トからの微弱なフォトンエコー信号を測定することは難しいのですが、量子ドットを150層積層することで信号を増強し、非常にS/N良く信号を測定するこ とに成功しております。特に通信波長帯でフォトンエコー信号の観測に成功している研究グループは、世界でも他にありません。その結果、通信波長帯 (1.468 µm)において3ナノ秒に迫る長い位相緩和時間(温度3 K)を達成することに成功いたしました。これは、量子ドット励起子として世界最長の位相緩和時間となります。我々は位相緩和時間の異方性や温度依存性など を詳細に調べ、歪補償量子ドットにおいて励起子-フォノン相互作用による位相緩和が非常によく抑えられていることを明らかにしました。

図1
(図2)
(左)フォトンエコー信号波形の偏光依存性 (右)In(Ga)As量子ドット励起子における位相緩和時間

光パルス照射による位相緩和制御(東工大との共同研究)

位相緩和は量子ドットと外部環境との相互作用によって引き起こされます。環境との相互作用を意のままに制御することは極めて困難であるため、位相緩和を制 御することは不可能であり、物質固有のパラメタであると考えられてきました。また位相緩和は一般に不可逆過程であるため、一度位相緩和が起こってしまう と、元の状態に戻すことができません。しかし最近、極短い時間内であれば環境との相互作用をも含めて元の状態、すなわち位相緩和を受けていない状態に戻せ ることがわかってきました。このような「時間反転効果」は、光パルスを極短い時間内に照射することで実現することができます。この原理を用いると、光パル スを何発も照射することにより、位相緩和をエネルギー緩和時間まで引き延ばすことが可能になると考えられます。我々と東工大の研究グループは、フェムト秒 パルスによる六光波混合法を用いて、GaSe励起子の位相緩和時間を人為的に引き延ばすことに成功いたしました。これは位相緩和時間の短い半導体素子を量 子情報デバイスへ応用する上で重要な技術になると期待しております。

図3
(図3)
六光波混合による位相緩和制御のデモンストレーション

フォトンエコーによる量子ドット量子メモリの原理実証

光子(単一光子状態や絡み合い光子対など)は、最も安定に重ね合わせ状態を保持し得る、すなわち長い量子コヒーレンス時間を有する物理系であり、特に長距 離量子通信や量子暗号における情報伝達媒質として最も適しています。その一方で光子は、止めておくこと(保存)ができない、互いに相互作用しない(量子 ゲート操作が困難)といった欠点があります。従ってこれらの操作が可能な他の量子ビットに、光子量子ビットのもつ量子情報を一旦転写・保存し、好きなとき に再生するといった“量子メモリ”を実現することが必要不可欠な課題となっています。我々は3次の非線形光学過程の一種であるフォトンエコーを用いた量子 メモリの原理実証に関する研究を行なっています。具体的には、位相のよく制御された2つの光パルスにより符号化された情報(time-bin)を量子ドッ トに書き込み・保存し、その情報をフォトンエコーにより読み出す方式を提案し、実験的に実証する試みを行なっております。

図4
(図4)