半導体量子構造を用いた量子演算に関する研究

点击翻译按钮获取中文摘要

半導体量子ドットは量子演算を行う素子として注目を集めている。しかし、その物性に関してまだ未知な部分が多く残されおり、特に量子演算において重要な、演算可能時間及びステップ数を決める電子のスピン緩和について、実験的検証が済んでいない状況であった。非対称3重結合量子ドットにおける2電子間の相互作用を数値計算により求めた。この結果から2電子間のクーロン相互作用によって量子演算エラーが生じる可能性があることが解り、そのエラーを抑制するための設計指針を得た。またこの指針をもとに3重結合量子ドットをデザインし、独自の量子ゲートの動作を密度行列の時間発展により確認した。分子線エピタキシー結晶成長装置により多重結合量子ドットを作製し、光学的な評価により量子演算動作可能時間を与えるデコヒーレンスの静的及び動的な要因について調査した。量子ドット中のキャリアに関する様々な緩和過程を測定するための試料(積層量子ドット、InAlAs/AlGaAs QD)を作製した。Alを混入することによる量子ドットの励起子発光の短波長化は結晶性が多少悪くなるものの、位相緩和、スピン緩和を測定する強力な測定法である、四光波混合法といった非線形分光法の適用を可能にするため有効な手段である。780-850nmに励起子発光のある量子ドットを作製した。これは汎用のfs秒Ti : Sappaire pulseレーザが使用できる領域であり、その結果800ps程度のスピン緩和時間を得た。量子ドット内の局在電子スピンを量子ビットとして用いる場合、静的なデコヒーレンスは一般的に単一スピンの緩和過程が主たる担い手である。一方、量子情報処理時(量子ゲート動作時)のデコヒーレンスについて調べるため、非対称結合量子ドット(InGaAs+InAlAs/AlGaAs QDs)を作製し、円偏光励起の時間分解測定によりスピン緩和時間を調べた。量子ドット間の結合の強さを変えた試料を作製したところ、InGaAs量子ドット中のキャリアスピンは結合が強いと早く緩和(3ns〜1ns)した。この現象はDresselhaus効果に起因するものと考えられ、波動関数の対象性からInAlAs量子ドットの基底準位とInGaAs量子ドットの励起準位の間で生じる現象であり、基底準位間の共鳴励起による制御には直接効いてこない。この種の緩和を抑制する制御手法の設計指針を得た。