東大,電子とテラヘルツ電磁波の強結合状態を実現

東京大学の研究グループは,スプリットリング共振器と呼ばれるテラヘルツ帯域に共鳴周波数を持つ半導体基板上に作製した光共振器と半導体量子ドット中に閉じ込めた電子を強く相互作用させ,光と電子の両方の性質を持つハイブリッドな量子結合状態を生成することに成功した(ニュースリリース)。

先行研究により,GaAs半導体中の多数の2次元電子集団とテラヘルツ光共振器の間で強結合状態が実現することが知られていた。しかし,量子情報処理技術などへの応用を見据えると,電子集団ではなく,単一の電子と光共振器との強結合状態の実現が望まれている。

研究では,GaAs2次元電子系上に半導体量子ドットを形成することで,半導体量子ドットの中の電子数を数個程度に制御したうえで,電子とテラヘルツ光共振器との強結合状態の観測に成功した。

計算結果から,共振器と2次元電子の結合強度を評価した結果,ラビ周波数が,共振器の共鳴周波数の0.1倍よりも大きいという結果になり,共振器と2次元電子とが超強結合状態にあることが示された。さらに,テラヘルツ光共振器と量子ドットの結合強度も,共振器と2次元電子の結合強度に匹敵する大きさになっていることが分かった。

従来の2次元電子の場合には,典型的には数千から1万個程度の電子集団が光共振器に同時に結合しており,その結合強度は,集団による増強効果によって非常に大きなものとなる。一方で,測定した量子ドットには,数個程度の電子しか存在しないにもかかわらず,2次元電子の集団励起に匹敵するほどの非常に大きな結合強度が得られた。

この顕著に大きな結合強度は,量子ドットの電極とスプリットリング共振器との間に発生する非常に強い局所的なテラヘルツ電場により実現できたと考えられるという。

この成果は,半導体量子ドットとテラヘルツ共振器との量子結合系を実現しており,これまでに報告されたものよりはるかに高速な固体-光量子情報変換を実現できると期待できるもの。さらに,テラヘルツ電磁波を用いることで,より高いエネルギーの電子励起を制御することが可能になることを意味してる。

従来よりも比較的高温な環境下で動作する量子ビットの開発が喫緊の課題となっているが,この研究成果で提案する半導体量子ドットとテラヘルツ共振器との量子結合系は,そのような高温で動作可能な固体量子ビットの開発に展開される可能性がある。研究グループは,大規模固体量子コンピュータへの応用が期待されるとしている。

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