大阪大学産業科学研究所の中川智裕さん（研究当時、理学研究科博士後期課程）、藤田高史助教、大岩顕教授（兼 量子情報・量子生命研究センター）と、カナダ国立研究機構　David Guy Austing博士、Louis Gaudreau博士の研究グループは、(110)面上のGaAs量子井戸構造を使い、従来よりも光子量子状態から電子スピン量子状態への変換を効率的に行うことができる量子ドットを新たに開発し、そのスピンの特性を明らかにしました。

半導体量子ドット中の電子スピンは量子コンピュータの量子ビットであり、一方、光子は量子通信の量子ビットです。この量子の間で量子情報を変換できると量子中継が可能となり、絶対に安全な通信や量子インターネットなど将来の量子情報のインフラとして量子ネットワークの構築に貢献します。その課題の一つが光ファイバー網による量子情報の伝送距離の長距離化です。これには量子テレポーテーションにより情報を伝送する量子中継器が必要です。単一光子の偏光にのせた量子情報を半導体量子ドット中の単一電子スピンへ変換する機能は、この量子中継器へ応用が期待されますが、１万から10万回光子を照射しても1回程度しか量子ドット中の単一電子スピンへ変換されないという低い変換効率が大きな問題でした。これは将来量子中継における通信速度を律速し、実用化へ向けての大きな課題の一つです。

今回、大岩教授とカナダ国立研究機構（以下、NRC）のAusting博士の研究グループは、従来の(001)面上のGaAs量子ドットではなく、対称性の低い(110)面上のGaAs量子ドットを世界で初めて開発し、電子スピン状態を決定するｇ因子を測定しました。従来広く用いられている(001)面上のGaAs量子ドットでは、軽い正孔状態を励起することでのみ光子から電子スピンへの量子状態変換が可能でした。しかし、(110)面上のGaAs量子ドットでは、重い正孔からも量子状態変換が可能になるため、理論的には変換効率が3倍高くなることが期待されます。変換効率の増大はわずかですが、量子暗号通信や量子インターネットの構築を可能にする量子中継器の量子インターフェースプラットフォームとして開発が世界的に拡がることが期待されます。

本研究成果は、米国科学誌「Journal of Applied Physics」に、2022年4月6日（水）に公開されました。

図1. (110)面上に作製した二重量子ドット(DQD)と電荷計(CS)の電子顕微鏡写真。

GaAsやSiなど半導体中に形成される2次元電子（極薄のシート状に存在する電子）に対して表面ゲート電極によってつくられる横型量子ドット中の電子スピンはその高い電気的制御性から、量子コンピュータの量子ビットの有力候補として注目され活発な研究開発が行われています。半導体は従来、通信素子の主要材料でもあり、量子計算だけでなく量子通信への応用も期待されています。大岩教授のグループは、将来、長距離量子情報通信の基盤技術となる量子中継器に向け、光子の偏光から電子スピンへ量子情報を変換する研究を推進してきました。しかし、量子情報の変換効率は10^-4程度（1万回光子を照射して1回成功する程度）と低く、高度な原理実証実験と量子ネットワークへの応用の大きな課題の一つです。

大岩教授とカナダ国立研究機構（以下、NRC）のAusting博士の研究グループは、令和元年から令和3年度まで大阪大学の国際共同研究促進プログラムと、令和3年からNRCのCollaborative Science, Technology and Innovation Program (CSTIP) , Quantum Sensing Program の支援を受け、(110)面上のGaAs/Al_0.33Ga_0.67As量子井戸構造を使って横型量子ドットを形成することに世界で初めて成功しました。従来は(001)面方位の基板上の量子井戸が用いられることがほとんどでしたが、この量子ドットでは量子インターフェースの基本原理である光子偏光から電子スピンへの量子状態変換は軽い正孔を励起することでのみ可能でした（図2左）。しかし(110)面方位では結晶の対称性が低いことに起因して重い正孔も面内磁場下でスピン分裂を起こし、量子状態変換が可能となります（図2右）。重い正孔から伝導帯への遷移確率は軽い正孔よりも3倍大きいため、今回開発した(110)面上の量子ドットを用いると、理論的には光子―電子スピン量子インターフェースの効率を3倍改善することが可能となります。また量子インターフェースの設計には、電子のスピン状態を決定するg因子が重要なパラメータですが、私たちは2重量子ドットを実現し(図3左)、その2電子状態のパウリ排他律によるスピン依存ドット間電子トンネルによる電流を解析することでg因子を決定することにも成功しました（図3右）。期待される変換効率の向上は3倍にとどまっていますが、今後、ナノフォトニック構造の利用など様々な方法を組み合わせて変換効率を大幅に改善する必要があるため、本成果はその一つとして有効な量子ドットを提供し、量子中継基盤技術開発への貢献が期待されます。

図2. 光子―電子スピン量子状態変換の模式図。従来の (001)面上GaAs量子ドット：重い正孔 のスピン状態は磁場下で分裂せず量子状態転写ができない。(110)面上GaAs量子ドット：重い正孔のスピン状態も磁場下で分裂し量子状態転写が可能となる。

図3. (左)(110)面上GaAs 2重量子ドットの2つのドット中の電子数が、ゲート電圧で1つずつ変化する様子を表す電荷状態安定図。カッコの中のMやNは電子数を表す。(右)2電子領域のスピン依存電流の磁場依存性。ゼロ磁場付近では核スピンとの相互作用による電流が観測され、その解析から電子スピンのg因子が0.1であることを明らかにした。

今後、表面プラズモンアンテナや別のナノフォトニック構造と組み合わせて光子から電子スピンへの変換効率をさらに改善することにより、量子中継器の開発が大きく前進し、量子暗号通信の長距離化や量子ネットワークなど量子情報の基盤インフラの開発が加速されます。量子暗号通信は絶対に安全な通信方法を与えると同時に、量子ネットワークには、量子コンピュータや量子センサーなど様々な量子デバイスが接続され、より高度な情報処理と社会活動への応用が期待されます。

半導体スピン量子ビットを用いた量子中継の研究開発を行うのは、世界でも数グループであり、大阪大学とNRCが国際共同研究として本研究を遂行したことは、世界の半導体スピン量子ビットの研究グループにも大きなインパクトを与え、量子中継の研究を活発化すると期待します。

本研究成果は、2022年4月6日（水）に米国科学誌「Journal of Applied Physics」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Electron g-factor determined for quantum dot circuit fabricated from (110)-oriented GaAs quantum well”
著者名：Tomohiro Nakagawa, S. Lamoureux, Takafumi Fujita, Julian Ritzmann, Arne Ludwig, Andreas D. Wieck, A. Oiwa, Marek Korkusinski, Andrew Sachrajda, David G. Austing, and Louis Gaudreau

本研究は、大阪大学の国際共同研究促進プログラムとカナダ国立研究機構のCollaborative Science, Technology and Innovation Program (CSTIP) , Quantum Sensing Programの一環として行われました。

大阪大学産業科学研究所・大岩研究室
https://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/qse/

カナダ国立研究機構
https://nrc.canada.ca/en