単一もつれ光子対－電子対変換における量子相関保存の実証

单纠缠光子对-电子对转换中量子相关守恒的演示

• 批准号: 16J03037
• 负责人: 黒山 和幸
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2016
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2016-04-22 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-16J03037/
• 关键词: GaAs量子ドット; 量子もつれ相関; GaAs半導体量子ドット; 量子もつれ光子対; 量子中継; 量子効率; 二重量子ドット; 励起子; ブラッグ反射器

GaAs量子ドットを用いて、単一の偏光もつれ光子対から光子-電子対の生成を行い、それらの間に偏光とスピンの相関を形成できるかを検証する実験に取り組んだ。そのための技術的な課題として、1.もつれ光源の改善および2.量子ドットにおける光電子生成効率の改善を試みた。1つ目の課題では、もつれ光子のファイバー結合効率を向上させることを試みた。私たちは、Type-II BBO結晶の自発パラメトリック下方変換(SPDC)を使用するが、この手法では結晶中で発生したもつれ光子が球面状に広がって伝搬する。そのため、結晶から離れた場所に配置されたファイバーでは、小さな立体角の中に飛来した光子しか結合できない。そこで、結晶の背後にレンズを導入することにより、もつれ光子をコリメートし効率よくファイバーへ運ぶことに成功した。さらに、結晶の励起光のビーム形状や結晶中への集束のさせ方が、もつれ光子の生成効率や空間モードに大きな影響を与えることが知られている。これらの改良を行った結果、約3~4倍のもつれ光子の検出レートを実現した。2つ目の課題は、入射光子のビーム径が量子ドットのサイズよりも10~100倍程度大きいことにより、ほとんどの光子がドットへ照射されていないことが大きな原因である。そこで、入射光子をドットへ集束させる前に、ビームエクスパンダ-によって予めビーム径を大きくしておくことで、ビームの集束径を小さくすることを試みた。それにより、ドット近傍でのビーム径は以前の1/5程度に小さくすることに成功した。これらの改良を踏まえた上で、単一のもつれ光子対から光子-電子対の生成を行いそれらの偏光-スピン相関を検証する実験を試みた。上記の効率の改善を行ったにもかかわらず、未だに相関を議論するのに十分な光子-電子対を得ることができていないが、予想される相関を持った光子-電子対を実時間検出することに成功した。

我们研究了一个实验，以验证是否可以使用GAAS量子点从单个极化的纠缠光子对生成光子电子对，以及它们之间是否可以形成极化旋转相关性。作为技术挑战，我们尝试了1。第一个挑战是提高纠缠光子的纤维耦合效率。我们使用II型BBO晶体的自发参数下调（SPDC），其中在晶体扩散中产生的光子并以球形形状传播。因此，只有飞向小实心角的光子才能与远离晶体的纤维结合。因此，通过在晶体后面引入一个镜头，我们能够对纠缠的光子进行拼合并有效地将其运输到纤维上。此外，众所周知，晶体的激发光的光束形状及其聚焦到晶体的方式对纠缠光子和空间模式的发电效率产生了重大影响。由于这些改进，我们达到的检测率约为纠缠光子的3-4倍。第二个问题是，入射光子的束直径大约比量子点的大小大10到100倍，并且大多数光子未被照射到点上。因此，在将入射光子聚焦到点上之前，我们试图通过使用梁扩展器初步增加梁直径来减少光束的聚焦直径。这导致了点附近的光束直径的成功降低到了前一张的约1/5。考虑到这些改进，我们尝试了一个实验来从单个纠缠光子对生成光子电子对，并验证其极化旋转相关性。尽管效率上述提高了上述提高，但尽管尚未获得足够的光子电子对来讨论相关性，但它们在实时检测具有预测相关性的光子电子对方面取得了成功。

项目成果

Two electron spin dynamics in a double quantum dot driven by a phonon source

由声子源驱动的双量子点中的两个电子自旋动力学

• 发表时间: 2018
• 作者: K. Kuroyama;S. Matsuo;J. Muramoto;S. R. Valentin;A. Ludwig;A. D. Wieck;Y. Tokura and S. Tarucha
• 通讯作者: Y. Tokura and S. Tarucha

GaAs横型二重量子ドットにおけるスピン三重項を介した 単一電子のトンネル現象の実時間観測

GaAs横向双量子点中自旋三重态单电子隧道效应的实时观察

• 发表时间: 2019
• 作者: 黒山和幸;松尾貞茂;村本丈;Sascha R. Valentin;Arne Ludwig;Andreas D. Wieck;都倉康弘;樽茶清悟
• 通讯作者: 樽茶清悟

GaAs横型量子ドットにおけるスピン分裂した軽い正孔の共鳴光学励起による単一光子偏光から電子スピンへの量子状態転写の実証

通过 GaAs 横向量子点中自旋分裂光孔的共振光学激发，演示从单光子偏振到电子自旋的量子态转移

• 发表时间: 2018
• 作者: 黒山和幸;村本丈;部谷謙太郎;Marcus Larsson;藤田高史B;Sascha R. Valentin，Arne Ludwig，Andreas D. Wieck;松尾貞茂;大岩顕;樽茶清悟
• 通讯作者: 樽茶清悟

GaAs横型量子ドットにおけるスピン-格子相互作用を介した フォノンによる電子スピン反転の実時間測定

通过 GaAs 横向量子点中自旋晶格相互作用实时测量声子电子自旋反转

• 发表时间: 2018
• 作者: 黒山和幸;松尾貞茂;村本丈;Sascha R. Valentin;Arne Ludwig;Andreas D. Wieck;都倉康弘;樽茶清悟
• 通讯作者: 樽茶清悟

Photogeneration of a single electron from a single Zeeman-resolved light-hole exciton with preserved angular momentum

从具有保留角动量的单个塞曼分辨光​​空穴激子产生单个电子

• DOI: 10.1103/physrevb.99.085203
• 发表时间: 2019
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Kuroyama K.;Larsson M.;Chang C. Y.;Muramoto J.;Heya K.;Fujita T.;Allison G.;Valentin S. R.;Ludwig A.;Wieck A. D.;Matsuo S.;Oiwa A.;Tarucha S.
• 通讯作者: Tarucha S.