ナノ構造中のテラヘルツ電磁波と電子の超強結合状態の電気的検出に成功東京大学

東京大学は2023年11月6日、テラヘルツ電磁波と電子を半導体ナノ構造中に閉じ込めたハイブリッドな量子状態を、単一な量子状態として電気的に検出することに成功したと発表した。

従来は多数の光共振器を整列させ、その光透過率の平均値を測定する方法が主に用いられてきた。しかし、量子情報処理技術などへの応用を考慮すると、単一の光共振器の量子状態を読み出す技術の確立が望まれていた。

今回の研究では、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オンチップの光共振器と、半導体ヘテロ構造中の電子を強く相互作用させ、光と電子の両方の性質を持つハイブリッド結合状態を生成。その量子状態を量子ポイントコンタクトと呼ばれる電気的な狭窄構造を用いることで、電気的に読み出す技術を確立した。

単一オンチップのテラヘルツ光共振器と、ヒ化ガリウム（GaAs）半導体中の2次元電子系との間の超強結合状態を、近接に設置した量子ポイントコンタクトの電流を測定することによって観測。電気的な測定手法により、単一のテラヘルツ光共振器と電子系が結合した量子状態を検出することに成功した。

同大学では今後、今回開発した技術を応用して、半導体ナノ構造に局在する電子と、スプリットリング共振器との強結合や超強結合状態を実現し、テラヘルツ帯域における量子情報通信技術や半導体量子ドットで構成される量子ビットの新しい制御技術への応用を目指す。これらを実現することで、従来よりも高速な量子情報の伝送技術の実現や、高温で動作する固体量子コンピューターの発展につなげる。

ナノ構造中のテラヘルツ電磁波と電子の超強結合状態の電気的検出に成功　東京大学