JP7351404B2 - 固体量子メモリ - Google Patents

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Description

本発明は、振動部に導入した電子２準位系によりメモリを構成する固体量子メモリに関する。
半導体や固体中の不純物によって形成される電子２準位系は、この光吸収・発光特性を利用することで、光の量子状態を電子の量子状態として保持することが可能である。特に、希土類元素のエルビウム（Ｅｒ）を内包する固体材料は、通信波長帯に共鳴した電子準位を有しており、また、電子準位における量子状態の保持時間（コヒーレンス）が非常に長いことから、量子メモリとしての応用が期待されている（非特許文献１）。
ここで、Ｅｒは、エネルギー準位がクラマース縮退を持つイオンとなる。この種の元素は、無磁場においてエネルギー縮退した電子準位を有しており、長いコヒーレンスを得るためには、電子準位の不均一広がりを超える大きなエネルギー変化を与えることが必要である。
Ｅｒについては、これまでに、７Ｔの外部磁場を印加することで、電子－核スピン結合で現れる超微細構造において、１ＧＨｚ以上のエネルギー制御が報告されており、Ｅｒ中の電子スピンにおいて１秒以上の長いコヒーレンスが実現されていた（非特許文献２）。また、マイクロ波を用いた電子制御を行うために、外部磁場による電子準位のエネルギー制御が用いられていた（非特許文献３）。
E. Saglamyurek et al., "Quantum storage of entangled telecom-wavelength photons in an erbium-doped optical fibre", Nature Photonics, vol. 9, pp. 83-87, 2015. M. Rancic et al., "Coherence time of over a second in a telecom-compatible quantum memory storage material", Nature Physics, vol. 14, pp. 50-54, 2018. J. R. Everts et al., "Microwave to optical photon conversion via fully concentrated rare-earth-ion crystals", Physical Review A, vol. 99, no. 6, 063830, 2019.
上述したように、従来は、量子メモリ実現のため電子準位における量子状態の保持制御に、外部磁場を用いていた。この外部磁場を発生するためには、巨大な超電導コイルが必要となり、量子メモリを実現するためのシステム全体の小型化や低消費電力化が困難であった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、量子メモリを実現するためのシステム全体の小型化、低消費電力化を目的とする。
本発明に係る固体量子メモリは、基板の上に変位可能に支持された振動部と、振動部を励振する励振部と、振動部に導入されている希土類元素から構成された電子２準位系とを備える。
以上説明したように、本発明によれば、振動部に導入した希土類元素から電子２準位系を構成したので、量子メモリを実現するためのシステム全体の小型化、低消費電力化が実現できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る固体量子メモリの構成を示す斜視図である。 図２Ａは、振動部１０２の２次の振動モードにおける共振特性を示す特性図である。 図２Ｂは、励振した振動部１０２の歪の分布を示す分布図である。 図３は、振動部１０２に導入された希土類元素による電子２準位系における、エネルギー制御の状態を測定するための測定系の構成を示す構成図である。 図４は、振動部１０２に形成されている電子２準位系の、各束縛励起子準位からフォトルミネッセンス光の測定結果を示す分布図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る他の固体量子メモリの構成を示す斜視図である。
以下、本発明の実施の形態に係る固体量子メモリについて図１を参照して説明する。この固体量子メモリは、基板１０１の上に変位（振動）可能に支持された振動部１０２と、振動部１０２を励振する励振部とを備える。振動部１０２には、希土類元素が導入され、導入されている希土類元素から構成された電子２準位系が形成されている。希土類元素は、振動部１０２にイオンの状態で導入されている。
この例では、基板１０１の上に、支持部１０３によって振動部１０２が支持されている。振動部１０２は、支持部１０３に支持された片持ちの梁である。この例では、支持部１０３と振動部１０２とは、一体に形成されている。振動部１０２は、例えば、底面の形状が２等辺三角形の三角柱であり、長さ１７０μｍ、幅１４μｍ、厚さ７μｍとされている。三角柱とされている振動部１０２の底面の２等辺三角形の底辺の長さが１４μｍであり、高さが７μｍである。
振動部１０２は、例えば、イットリウムシリケイト（Ｙ2ＳｉＯ5）から構成することができる。希土類元素は、例えば、エルビウム（Ｅｒ）とすることができる。Ｅｒは、エネルギー準位がクラマース縮退を持つイオンとなる。希土類元素は、振動部１０２に分散されている。また、希土類元素は、このクラスターが、振動部１０２に分散された構成することもできる。例えば、Ｅｒが導入されているＹ2ＳｉＯ5材料を、公知の収束イオンビーム（ＦＩＢ）により立体加工することで、振動部１０２（支持部１０３）が形成できる。
また、柱状とされている振動部１０２は、例えば、分子線エピタキシャル成長法などを用いることで、この厚さ方向に、振動部１０２を構成する材料の層と、希土類元素の層とを積層した積層構造とすることもできる。例えば、振動部１０２を構成する材料の層と、希土類元素の層とを交互に積層して振動部１０２とすることができる。
例えば、基板１０１を圧電材料から構成することで、基板１０１を励振部とすることができる。例えば、圧電材料から構成された圧電素子１０４と、圧電素子１０４を挾んで形成された第１電極１０５，第２電極１０６とから基板１０１を構成することができる。第１電極１０５と第２電極１０６との間に励振信号（電気信号）を印加し、圧電素子１０４を振動させることで、基板１０１に支持部１０３を介して支持固定されている振動部１０２を励振することができる。また、上述した励振信号の制御により、振動部１０２の励振状態（振動部１０２に発生する動的な歪）を制御することができる。
次に、振動部１０２の２次の振動モードにおける共振特性と、１．５７ＭＨｚ付近の電気信号により励振した振動部１０２の歪の分布について、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。まず、図２Ａに示すように、振動部１０２の共振周波数は、１．５７ＭＨｚ付近であることがわかる。また、共振周波数の励振信号による励振部の励振で、図２Ｂの動的歪分布に示すように、梁構造の振動部１０２の中央部近傍に、大きな歪（動的歪）が発生していることがわかる。
次に、振動部１０２に加わる歪による、振動部１０２に導入された希土類元素の電子準位のエネルギー制御について説明する。この電子準位のエネルギー制御の状態は、発光励起（Photo luminescence excitatio）測定により測定できる。この測定を実施する測定系について、図３を参照して説明する。この測定系は、光源２０１，音響光学素子２０２，信号生成器２０３，分光器２０４を備える。まず、信号生成器２０３から、励振部となる基板１０１の電極および音響光学素子２０２に所定の高周波信号を印加する。
これにより、励振部を振動させて振動部１０２を励振した状態で、レーザからなる光源２０１より出射する波長１５３６ｎｍの連続波レーザ光を、音響光学素子２０２によりパルス状として振動部１０２に照射する。波長１５３６ｎｍは、Ｅｒの光学遷移波長である。パルス状のレーザ光照射により、振動部１０２に形成されている電子２準位系（Ｅｒ）の、各束縛励起子準位からフォトルミネッセンス（ＰＬ）光が得られる。このＰＬ光を分光器２０４で測定する。この測定において、振動部１０２に照射するレーザ光のパルス波形と、励振している振動部１０２の振動と間の相対位相を変化させることで、様々な歪を印加した状態における束縛励起子準位のエネルギーを測ることが可能になる。なお、測定は、原理確認のため極低温高真空（４Ｋ，１×１０-4Ｐａ以下）の環境下において実施した。
上述したＰＬ光の測定結果を図４に示す。図４に示すように、電圧が５Ｖの高周波信号の印加により、±２ＧＨｚ程度のエネルギー制御が行われていることを示している。この値は、一般的なＥｒの電子準位の不均一広がり（１ＧＨｚ程度）よりも十分大きく、無磁場環境下においても、コヒーレンスの向上が可能であることを示唆している。実施の形態に係る固体量子メモリを用いた、電子準位における量子状態の保持制御（記憶制御）では、磁場を用いないことから、素子の集積化、低消費電力化において、磁場を用いる場合に比較して優位性を有する。また、実施の形態の技術によれば、磁場の不安定性によるコヒーレンスの減少が起きないことも特徴である。
ところで、本発明の固体量子メモリは、図５に示すように、振動部１２２を両持ちの梁構造とすることもできる。この固体量子メモリは、基板１２１の上に変位（振動）可能に支持された振動部１２２と、振動部１２２を励振する励振部とを備える。振動部１２２には、希土類元素が導入され、導入されている希土類元素から構成された電子２準位系が形成されている。
この例では、基板１２１の上に、第１支持部１２３ａと第２支持部１２３ｂとによって振動部１２２が支持されている。振動部１０２は、２つの第１支持部１２３ａ、第２支持部１２３ｂに両端が支持固定された両持ちの梁である。振動部１２２は、例えば、底面の形状が２等辺三角形の三角柱とすることができ、長さ１００μｍ、幅２０μｍ、厚さ１０μｍとすることができる。三角柱とされている振動部１２２の底面の２等辺三角形の底辺の長さが２０μｍであり、高さが１０μｍである。この場合においても、例えば、Ｅｒが導入されているＹ2ＳｉＯ5材料を、公知の収束イオンビームにより立体加工することで、振動部１２２（第１支持部１２３ａ、第２支持部１２３ｂ）が形成できる。
また、この例においても、基板１２１を圧電材料から構成することで、基板１２１を励振部とすることができる。例えば、圧電材料から構成された圧電素子１２４と、圧電素子１２４を挾んで形成された第１電極１２５，第２電極１２６とから基板１２１を構成することができる。第１電極１２５と第２電極１２６との間に励振信号（電気信号）を印加し、圧電素子１２４を振動させることで、基板１２１に第１支持部１２３ａ、第２支持部１２３ｂを介して支持固定されている振動部１２２を励振することができる。また、上述した励振信号の制御により、振動部１２２の励振状態（振動部１２２に発生する動的な歪）を制御することができる。
この構造では、２つの第１電極１２５、第２電極１２６の配置方向、言い換えると、両持ち梁構造とされている振動部１２２の延在方向に伸縮する圧電素子１２４を用いることで、振動部１２２に加わる引張応力を電気的に制御可能となる。所定の周波数の電気信号（電圧信号）を第１電極１２５と第２電極１２６との間に印加することで、振動部１２２の両端の変位が１００ｎｍとなると、振動部１２２に１０ＭＰａ程度の応力が発生することが数値計算から見積もられる。この応力は、４ＧＨｚ程度のエネルギー変化を生むため、両持ちの梁構造とした振動部１２２を用いることで、振動部１２２に含まれる希土類元素から構成された電子２準位系の共鳴エネルギーの精密制御が可能となる。
なお、上述では、振動部の母材としてＹ2ＳｉＯ5を用い、これにＥｒを導入したが、これらの限るものではない。固体量子メモリとしては、例えば、通信波長帯に共鳴を有するＥｒが最も注目を集めているが、希土類元素として、ネオジウム（光学遷移波長例：１０６４ｎｍ）やイッテルビウムなども用いることができる。これらも、エネルギー準位がクラマース縮退を持つイオンとなり、Ｅｒを用いた場合と同様の作用効果が得られる。
また、実施の形態に係る固体量子メモリの、電子準位のエネルギー制御の状態に関する測定（発光励起測定）は、原理確認のため極低温高真空（４Ｋ，１×１０-4Ｐａ以下）環境下において実施したが、本発明に係る固体量子メモリの動作は、特定の環境下に限られるものではない。
また、上述した実施の形態では、振動部を、三角柱の梁構造としたが、これに限るものではなく、他の様々な機械的駆動機構（平板型振動子、表面弾性波など）を同様に用いることができる。また、歪の印加手段として圧電素子を用いた例を示したが、他の電気（静電力）、光（放射圧）、熱（熱膨張）などを用いた歪印加手段も同様に用いることができる。
以上に説明したように、本発明によれば、振動部に導入した希土類元素から電子２準位系を構成したので、量子メモリを実現するためのシステム全体の小型化、低消費電力化が実現できる。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
１０１…基板、１０２…振動部、１０３…支持部、１０４…圧電素子、１０５…第１電極、１０６…第２電極。

Claims (6)

  1. 基板の上に変位可能に支持された振動部と、
    前記振動部を励振する励振部と、
    前記振動部に導入されている希土類元素から構成された電子２準位系と
    を備え、
    前記振動部は、イットリウムシリケイトから構成されている固体量子メモリ。
  2. 請求項１記載の固体量子メモリにおいて、
    前記希土類元素は、前記振動部にイオンの状態で導入されていることを特徴とする固体量子メモリ。
  3. 請求項１または２記載の固体量子メモリにおいて、
    前記希土類元素は、イオンのエネルギー準位がクラマース縮退を持つことを特徴とする固体量子メモリ。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の固体量子メモリにおいて、
    前記振動部は、片持ち梁構造とされていることを特徴とする固体量子メモリ。
  5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の固体量子メモリにおいて、
    前記振動部は、両持ち梁構造とされていることを特徴とする固体量子メモリ。
  6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の固体量子メモリにおいて、
    前記励振部は、圧電材料から構成されていることを特徴とする固体量子メモリ。
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