量子ホールエニオン操作のためのトポロジカル量子技術

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本課題「量子ホールエニオン操作のためのトポロジカル量子技術」では、研究期間終了後も含めた長期目標として「分数量子ホール準粒子のエニオン統計を利用したトポロジカル量子ビットの作製」を設定する。この目標に向けて、研究期間中には、第一に基本デバイスである単一エニオン源およびエニオン量子干渉計の作製、第二にエニオンのダイナミクス制御に利用する高速電荷パルス生成技術の確立、第三に非可換エニオンを発現する高品質半導体ヘテロ構造の作製、第四にエニオン制御システムのアーキテクチャ提案を目指す。令和4年度は本課題の初年度であるため、計画全体の基礎をなすトピックについて研究に取り組んだ。エニオン検出の基本デバイスとして、並走エッジ状態を用いたMach-Zehnder干渉計を検討している。まず並走する整数エッジ状態を用いて干渉計を作製し、量子干渉の観測に成功した。また、並走エッジ状態を用いる場合特有のデコヒーレンス機構を実験で発見した。このデコヒーレンス機構を詳細に調べるための理論解析を行い、実験結果を定性的に説明することが可能になった。今後は定量的な評価を進める。単一エニオン源の作製に向けて、時短電圧パルス生成技術の開発に取り組んだ。テラヘルツ導波路に埋め込まれたグラフェンに対して2ps程度の時間幅のパルス生成に成功し、さらにグラフェン中を伝播する信号の速度制御にも成功した。非可換エニオンの観測に向けて、半導体試料の高品質化にも取り組んだ。MBE結晶成長環境の改善により移動度500万cm^2/Vs程度の高品質試料を得ることができ、非可換エニオンの観測に向けて大きく前進した。エッジ状態を伝播するエニオンによる量子ビット作製に向けて、バルク領域におけるエニオンとエッジを伝播するエニオンの関連を理論的に調べ、エッジ状態を用いるアーキテクチャの妥当性を確認した。