高次元ポアンカレ球-高次元ブロッホ球間の光子-スピン幾何学位相変換

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スピン角運動量と軌道角運動量を同時に併せ持ち,１光子あたり２量子ビット持つことができる光子の拡張形である「高次光子」に着目し,その高次状態から半導体中の電子スピン状態へのコヒーレント転写を試みた. それにより,1量子あたり2量子ビットを持つ新しい高次スピン状態の実現を目指した．我々は「ポアンカレ球上の光子」と「ブロッホ球上の電子スピン」の相似性を基に,「高次ポアンカレ球上の高次光子」に対応した「高次ブロッホ球上の高次スピン」を新らたに提案し, 磁場中の歳差運動も含めた高次スピン状態の理論を確立した. 実験では，はじめにV 型３準位系を有するGaAs/AlGaAs 半導体量子井戸を用い，「ガウス光子」から「電子スピン」へのコヒーレント転写を試み成功した．次に光子の拡張状態である「高次光子」を生成し，その高次光子特有の空間依存した位相情報を半導体中の電子系へのコヒーレント転写を試みた．高次光子から転写された半導体中の電子スピンの空間分布は，外部磁場によって回転することが分かり，高次光子の空間依存した位相情報のコヒーレント転写に成功した．一連の結果は，空間構造を有する高次光子から半導体中電子系への「スピン角運動量」と「軌道角運動量」の同時転写を示唆するもので，新たな量子情報処理技術に役立つ重要な知見が得られた．