ポイント
- 光子から電子スピンへ量子情報を変換する量子インターフェース（ポアンカレインターフェース）の光子―電子変換効率を最大９倍程度向上することに成功
- 表面プラズモンアンテナを利用することで、効率よく光を量子ドットへ集光することが可能に
- 絶対に安全な量子暗号通信の長距離化や量子情報のネットワーク化への応用に期待
大阪大学 産業科学研究所の深井 利央さん（博士後期課程（研究当時））、藤田 高史 助教、木山 治樹 助教、大岩 顕 教授（兼 量子情報・量子生命研究センター）らの研究グループは、表面プラズモンポラリトンという光で励起される電子の集団振動を利用して、半導体横型量子ドットへの光子の照射をより効率的に行うことが可能であることを世界で初めて明らかにしました。
半導体量子ドット中の電子スピンは量子コンピュータの量子ビットであり、一方、光子は量子通信の量子ビットです。この量子の間で量子情報を変換できると量子中継が可能となり、絶対に安全な通信や量子インターネットなど将来の量子情報のインフラ構築に貢献します。これまで数１００ナノメートル程度の極めて微小な量子ドットに単一光子を正確に照射することは極めて困難で、１万から１０万回光子を照射しても１回程度しか量子ドット中の単一電子へ変換されないという低い変換効率が大きな問題でした。これは将来、量子通信の通信速度を律速し、実用化を阻む大きな要因の１つでした。
今回、大岩教授らの研究グループは、同心円状のリング構造を持つ表面プラズモンアンテナをＧａＡｓ量子ドットの直上に作製し、アンテナの表面を伝搬する電子の集団振動により、垂直に照射した光を効率的に中央の開口部に集光することで、量子ドットへの光子の照射効率を大幅に向上することに成功しました。この成果は長距離の量子暗号通信や量子インターネットの構築を可能にする量子中継器の開発を加速することが期待されます。
本研究成果は、日本科学誌「Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ」に、２０２１年１１月１０日（水）に公開されました。
本研究は、ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ研究「電子フォトニクス融合によるポアンカレインターフェースの創製（ＪＰＭＪＣＲ１５Ｎ２）」と科学研究費補助金 基盤研究（Ｓ）（１７Ｈ０６１２０）の一環として行われました。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（７４４ＫＢ）
＜論文タイトル＞
- “Detection of photogenerated single electrons in a lateral quantum dot with a surface plasmon antenna”
- ＤＯＩ：10.35848/1882-0786/ac336d
＜お問い合わせ先＞
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大岩 顕（オオイワ アキラ）
大阪大学 産業科学研究所 教授
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