慶大ら,室温でCNTによる単一光子源を実証

慶應義塾大学,東京学芸大学の研究グループは,直径約1nmの微細な一次元物質である単層カーボンナノチューブ(CNT)を用いて,室温において高純度と高効率を両立した単一光子源が理論的に可能であることを世界で初めて示した(ニュースリリース)。

1パルス中に含まれる光子が1個に制限された単一光子は,近年,量子暗号通信などの量子情報デバイスで注目されており,特に高集積で汎用の量子情報デバイスを実現するには,室温かつ通信波長帯において,高純度で高効率な単一光子を発生させる単一光子源が必要とされている。

これまでに,研究グループはCNTを用いることで,世界初の室温・通信波長帯の単一光子源を実験的に示しており,その後世界中で研究が行なわれている。しかし,現状の単一光子源では,高純度化と高効率化を両立することが困難であり,量子情報デバイスへの実用化に向けては,それらを両立する技術の構築が望まれている。

今回,短尺の架橋CNTを用いて分子修飾を行なう手法を考案し,この技術による単一光子発生を理論的に解明したところ,これまで報告されてきた高い単一光子純度を維持しつつ,極めて高い単一光子発生効率を達成できることを発見した。

ここでは,単一光子発生で重要な役割を果たす励起子に注目し,CNT内に光励起された励起子の挙動を,モンテカルロシミュレーションをベースにして解析し,CNTの長さや表面修飾の有無に注目して単一光子が得られるメカニズムを解析した。

その結果,長さ100nmオーダーの極めて短尺な架橋CNTに対して,励起子の局在サイトとなる分子修飾を行なうことにより,室温においても,局在化した励起子から極めて高い単一光子純度を維持しつつ高い単一光子生成効率が得られることを見出した。

また,そのメカニズムも詳細に明らかにしており,短尺のCNTでは,励起子のエンドクエンチングと励起子対消滅によって余分な励起子が消滅し,高励起下においても局在励起子から高い純度で高効率に単一光子発生が可能であることを明らかにした。

研究グループはCNTを用いたこの手法による高性能な単一光子源について,量子暗号などの量子情報分野における,安価で高集積な汎用の量子情報デバイス開発を実現する新たな技術となるとしている。

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