阪大ら,単一光子から単一電子へスピン情報を変換

大阪大学,理化学研究所,東京大学,ドイツのルール大学ボーフムの研究グループは,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,光の単位である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(ニュースリリース)。

これまで,半導体量子ドットはその微細構造の中で単一電子スピンを状態制御することに特化しており,そこから外界との通信を可能にするような,とりわけ光を媒介とする手法の考案が続いていた。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で初めて動作する電子スピンに対応させる試みには,光照射によって精密な電圧制御が崩れるという課題があった。

研究グループは,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により,生成した単一スピンに対して光照射の影響が打ち消されることを見いだした。このとき用いられた2つのスピンの比較によるスピン読み取り方法は,基礎物理の側面でも活用され,半導体中のトンネル効果,スピン軌道相互作用,核スピンとの超微細相互作用などの働きの解明に利用された。

今回はこの計測技術を用いて,円偏光照射実験で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,単一量子間で正しく情報が転写されていることを実証した。

これにより,最も基本的な光-スピン間の変換原理が検証されるとともに,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,より高度な量子力学的な情報を活用できる見込みがあるという。

研究グループは,半導体量子ドットは量子計算機の構成要素(量子ビット)を収めるデバイスとしても研究開発されているため,今回の研究により小規模な量子計算機を結合することやその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できるとしている。

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