研究紹介

　2022年のノーベル物理学賞は，“量子もつれ光子を用いたベルの不等式の破れの実験と量子情報科学の先駆的研究”を行なった3氏に授与されました．この研究は，量子力学の基礎を確立する上で非常に重要な研究であると言えます．さらに現在では，量子もつれや量子コヒーレンスといった高度な量子力学的性質を制御・活用することで，「量子コンピュータ」や「量子センサ」，「量子通信」などの革新的な量子技術が実用化されつつあり，量子もつれや量子コヒーレンスを制御する技術の重要性が益々高まっていると言えます．

　早瀬研究室では，光子と電子の量子力学的性質（量子コヒーレンスや量子もつれ）を制御・活用することで、新しい量子現象の発見・量子物理の解明と、古典限界を超える次世代の革新的量子技術の実現を目指しています．半導体をナノスケールで加工した「半導体ナノ構造」や、超高速非線形分光・微弱光計測技術といった多彩かつ高度な「光技術」を駆使して，光子と電子の量子コヒーレンスを最大限活用するための新しい量子状態制御技術を開発し，基礎と応用の両面に寄与する研究を進めていきます． 特に早瀬研究室では，ダイヤモンドNVセンターを用いた量子センサの研究と，超高速非線形分光と量子ドットを用いた量子フォトニクスの研究を推進しています．

ダイヤモンドNVセンターを用いた量子センサ

　NVセンターはダイヤモンド中に形成される欠陥構造の一種です．ダイヤモンドNVセンターに局在した電子スピン状態は，室温・大気下において長いコヒーレンス時間を有すること，光やマイクロ波を用いた初期化・操作・読み出しが容易であることから，量子情報素子や量子センサへの応用が期待されています．早瀬研究室では，NVセンターの電子スピンの量子コヒーレンスを利用した超高感度量子センサの実現を目指し、ダイヤモンドサンプルの作製から量子センシングの実験・理論まで，共同研究者と協力して研究を進めています．

現在，以下のサブテーマについて研究を進めています．

• ダイヤモンドサンプル作製技術の開発とNVセンターの光・スピン物性制御
• 磁場センシング用光検出磁気共鳴顕微鏡の開発
• 量子センサのための電子スピン量子制御法の開発
• 交流磁場/電流センシング・イメージングと微細回路測定への応用
• 磁場・温度・電場複合センサの開発
• 電子スピン多重共鳴現象の物理解明

　革新的な光量子技術を実現するためには，光の量子力学的粒子である単一光子を生成・制御・検出する技術を開発することが重要です．早瀬研究室では，超高速非線形分光技術と，半導体ナノ構造の一種である量子ドットを用いることで，フェムト秒という超高速な領域で単一光子を生成・制御・検出する技術を開発することを目指しています．光子と電子のコヒーレントな相互作用を理解し，光子と電子の量子状態を高度に制御する技術を実現することを目指しています．

　本研究で対象とする量子ドットとは半導体の微小構造であり，量子ドットに閉じ込められた電子ー正孔対（励起子）は，離散的エネルギー準位をもち，原子のような振る舞いを示します．量子ドット中の励起子は，量子コヒーレンスを保ちやすくなることや，光との相互作用が強いことから，光量子技術への応用が期待されています．早瀬研究室では，超高速非線形分光や微弱光計測技術などの多彩かつ高度な光技術を開発することにより，新しい励起子量子制御法の開発や励起子量子物性の解明，量子ドットの超高速量子メモリへの応用に関して研究を進めています．また半導体複合ナノ構造による光ー励起子相互作用の増強に関しても研究を進めています．

現在，以下のサブテーマについて研究を進めています．

• 量子ドットー光共振器複合構造の作製と光相互作用の増強
• フォトンエコー法による超高速コヒーレントダイナミクスの評価
• チャープパルスを用いた不均一性にロバストな量子状態制御法の開発
• フォトンエコー量子メモリの開発
• 周波数上方変換を用いたフェムト秒単一光子検出技術の開発
• 周波数上方変換による通信波長帯単一光子パルスの高時間分解検出