三次元フォトニック結晶を用いた円偏光制御の実現と三次元光量子回路への応用

利用三维光子晶体实现圆偏振控制及其在三维光子量子电路中的应用

基本信息

批准号：
16J09150
负责人：
田尻武義
金额：
$ 0.83万
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 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

【研究背景】三次元フォトニック結晶（3D PC）は、光波長程度の屈折率周期性を三次元的に材料に与えることで、偏光状態によらない全方位光禁制帯を実現した人工構造である。結晶欠陥を人工的に導入することで集積光回路への応用が可能となる。3D PC構造は、構造の三次元性から螺旋状の欠陥構造を導入することができ、円偏光などの角運動量を有する光の導波など高度な光制御が可能となる。【研究目的・手法・課題】本研究では、角運動量を有する光を3D PCを用いて制御することによって、電子のスピン量子状態と結合した光回路「量子円偏光回路」への応用を目的としている。作製手法として、原子と同様の振る舞いをする半導体量子ドットを3D PC構造中に導入できる「マイクロマニピュレーション法」に着目しており、昨年度は、3D PCに集積された最初の集積光回路の実験実証に成功している。【研究成果概要】本年度は、同手法を用いて作製可能な円偏光量子回路の回路素子の検討を行うと共に、光量子回路の3D PC構造中への実装方法を検討した。回路素子として、作製可能なストライプ積層型3D PC構造中に形成された螺旋欠陥光導波路を検討し、量子ドットが空間的にランダムに分布していても、電子スピンから光へ量子状態を転写できることを数値解析によって示した。光量子回路の実装方法に関しては、新たに「コヒーレントフィードバック方式」の概念を取り入れることを検討した。本方式は、制御する対象にフィードバックを施すだけの簡易な光回路で量子演算を実現する量子演算の実装方法である。オーストラリアの研究室と共同で、スクイーズ演算に関して、コヒーレントフィードバックにより演算損失の低減効果があることを数値解析によって示した。これは、螺旋欠陥光導波路を介したフィードバックを量子ドットに施すことで、様々な量子演算の実装に応用できると考えている。

[研究背景]三维光子晶体（3D PC）是人工结构，可提供光波长范围的折射率周期性，从而在三维上向材料造成，从而导致全向光线禁止频带，不取决于极化状态。通过人为地引入晶体缺陷，可以将其应用于集成的光学电路。 3D PC结构允许由于结构的三维而引入螺旋缺陷结构，从而可以进行高级光控制，例如具有角动量的光指导，例如圆形偏振光。 [研究目的，方法和问题]该研究的目的是将具有角动量的光应用于“量子圆极化电路”，该光通过使用3D PC控制角动量，通过控制光动量来耦合到自旋量子态。作为一种制造方法，我们专注于“微观渗透方法”，该方法允许以与原子相同的方式将半导体量子点（以原子，3D PC结构）形式进行，去年我们成功地证明了在3D PC中集成的第一个集成的光学电路。 [研究结果摘要]今年，我们研究了可以使用相同方法制造的圆极化量子电路的电路元素，还研究了如何在3D PC结构中实现光学量子电路。作为电路元件，检查了在可制成的条纹层压3D PC结构中形成的螺旋缺陷的光学波导，数值分析表明，即使量子点是空间随机分布的，也可以将量子状态从电子旋转转移到光线。关于实施光学电路的方法，我们考虑了引入“相干反馈方法”的概念。此方法是一种实现量子操作的方法，该方法使用简单的光学电路实现量子操作，该光电路仅提供对所控制对象的反馈。与澳大利亚实验室合作，数值分析表明，连贯的反馈具有减少挤压操作中的操作损失的作用。人们认为，通过通过螺旋缺陷的光学波导将反馈应用于量子点，可以将其应用于各种量子操作。