研究内容 / Research Topics

森田グループ
－幾何学構造をもつ光子と電子スピンを用いた新しい量子技術の創成－

量子情報処理や量子情報通信は究極の量子技術で、社会に大きな変革をもたらと考えられています。こうした量子情報科学における主役は量子ビットです。量子ビットにはいくつかの種類があり、中でも「光子」は伝送を得意とし、半導体中の「電子スピン」は、記録・演算を得意としています。また、光子と電子スピンはスピン角運動量を共通に持ち、光子はポアンカレ球の偏光状態として、また電子スピンはブロッホ球のスピンの向きとして２次元の量子空間上で表されます。 

量子技術の本質は、基底状態の重ね合わせと、異なる粒子間のエンタングルメント（２２年ノーベル物理学賞）です。光子や電子スピンといった異なる量子メディア媒体間で、重ね合わせ状態をつなげたり、それらのエンタングルメントを実証する探索的な研究は、将来の絶対に安全な量子暗号通信や量子インターネットの構築を可能とします。

最近、幾何学的な空間構造を持つ新たな光が注目されるようになりました。この新しいタイプの光は、スピン角運動量だけでなく、空間構造の起源である軌道角運動量を持ちあわせています。また、単一光子として存在することができ、エンタングルする性質も持ち、従来の光子（ガウス光子）と同様、量子力学的な性質を持っています。空間的に広がった幾何学構造を持つ光子状態が重ね合わせやエンタングルといった性質を持つことは驚くべきことで、この幾何学構造をもつ光子を我々は「高次光子」と呼んでいます。高次光子は、一つの光子の中に多くの量子力学的な情報を詰め込むことができ、より高度な量子情報通信への活用が期待できます。

森田グループではこれまで、スピン角運動量しか持たないガウス光パルスを半導体量子構造に照射することで電子スピンを光励起し、それを制御する研究を行ってきました。これらの研究は、半導体スピントロニクスデバイスの中で電子スピンがどのように振る舞い、どのように利用できるのかを追求するもので、成果をあげてきました。つい最近、我々は幾何学構造を持つ光子を利用し、幾何学構造を持つ電子スピンの存在を明らかにしつつあります。このような新たな電子スピンは高次元の量子空間上の量子状態と見なすことができ、より多くの量子情報の記憶・操作・通信に利用できる可能性を秘めています。

我々は、空間幾何学構造を持つ新たな光子と電子スピンに着目し、量子力学的な重ね合わせやエンタングルメントに関する研究を進めます。そして高次元の量子空間上で繰り広げられる新しい量子技術を創成します。

角江グループ
－情報光学に基づく新たな光制御／光計測／光可視化技術の創成－