半導体量子ドット中における数個の電子とテラヘルツ電磁波の強結合に成功：研究開発の最前線

東京大学は、半導体量子ドット中の電子とテラヘルツ電磁波との強結合状態に成功した。半導体量子ビット間の集積回路基板上での量子情報の伝送や、大規模固体量子コンピュータへの応用が期待される。

[MONOist]

　東京大学は2024年2月13日、半導体量子ドット中の電子とテラヘルツ電磁波との強結合状態に成功したと発表した。スプリットリング共振器と呼ばれるテラヘルツ帯域に共鳴周波数を持つ半導体基板上に仕立てた光共振器と、半導体量子ドット中の電子を強く相互作用させて、光と電子の両方の性質を持つ量子結合状態を生成した。

テラヘルツ光共振器と量子ドットを集積化した試料の概念図［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　研究では、GaAs半導体基板上に作製したスプリットリング共振器におけるギャップ構造の近くに、2本のサイドゲート電極を作製。GaAs半導体基板には、表面から約100nm下に2次元電子が蓄積したヘテロ接合基板を使用する。

試料構造とスプリットリング共振器の光学特性。（a）作製した半導体試料の電極構造、（b）共鳴励起されたスプリットリング共振器周辺の電場分布のシミュレーション結果［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　これに外部からテラヘルツ電磁波を照射して共鳴励起させると、電子軌道のエネルギー間隔がテラヘルツ光共振器の共鳴エネルギーと合致する場合、量子ドット中の電子はサイドゲート電極の近傍で発生した強いテラヘルツ電場に感応して、量子ドットの中の軌道間で共鳴励起される。

　この量子ドットスプリットリング共振器結合系試料を冷却後、テラヘルツ電磁波を照射し、量子ドットにおける電流変化を入射周波数と印加磁場の大きさに関して測定した。

　入射周波数0.9テラヘルツ近傍の信号が、スプリットリング共振器の共鳴吸収による信号となる。加えて、磁場に関して共鳴周波数が増大する信号が見られた。これらの信号のエネルギーが一致する磁場領域においては、共鳴信号の間で反交差信号を作ることが判明した。

　共振器と2次元電子の結合強度を評価したところ、超強結合状態にあることが分かり、テラヘルツ光共振器と量子ドットも超強結合状態になっていると判明した。この結合強度は、量子ドットの電極とスプリットリング共振器との間に発生する非常に強い局所的なテラヘルツ電場により可能になった。

量子ドットにおける光電流スペクトルの磁場依存性 出所：東京大学

　同研究成果は、テラヘルツ電磁波を使用することで、より高いエネルギーの電子励起をコントロール可能になることを示唆する。電子が持つ量子情報を、テラヘルツ電磁波を介して遠方に運ぶことができるため、半導体量子ビット間の集積回路基板上での量子情報の伝送や、大規模固体量子コンピュータへの応用が期待される。

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