量子通信:電気励起単光子量子発光体が開発される

Graphene Flagship(グラフェンフラッグシップ)の研究者は、単光子放射型の全電気量子発光ダイオード(LED)を作る目的で層状材料を使用しています。これらのLEDは量子情報用途でオンチップ光子源としての潜在性を秘めているらしいです。

一度に1個の光子を放出する原子並みに薄いLEDが、Graphene Flagshipの研究者によって開発されました。遷移金属ジカルコゲナイド(TMD)、グラフェン、窒化ホウ素を含んだ原子並みに薄い材料の層から構成され、全電動単一光子生成を示しているその極薄のLEDが、量子通信と量子ネットワーク用の幅広いフォトニクスアプリケーションのための優れたオンチップ量子光源になるかもしれません。

量子発光体

Single photon light emitting diodes for on-chip integration

The ultra-thin devices reported in the paper are constructed of thin layers of different layered materials, stacked together to form a heterostructure. Electrical current is injected into the device, tunnelling from single-layer graphene, through few-layer boron nitride acting as a tunnel barrier, and into the mono- or bi-layer TMD material, such as tungsten diselenide (WSe2), where electrons recombine with holes to emit single photons. At high currents, this recombination occurs across the whole surface of the device, while at low currents, the quantum behaviour is apparent and the recombination is concentrated in highly localised quantum emitters.

「研究論文で報告されている極薄デバイスは、ヘテロ構造を形成するために共に積層されたさまざまな層状材料の薄層で構成されています。電流がそのデバイスに注入され、単層グラフェンから、トンネル障壁として機能している数層の窒化ホウ素を通って、電子が単一光子を放出するためにホールと再結合する二セレン化タングステンのような単層あるいは二層TMD材料の中へトンネルします。強電流では、この再結合はデバイス全体の表面にわたって起こり、その一方で弱電流では、量子的振る舞いは明白でその再結合は高度に局所化された量子発光体に集中しています。

tunneling(tunnelling) from A through B and into C = AからBを通ってCへトンネルする、みたいな感じになります。

All-electrical single photon emission is a key priority for integrated quantum optoelectronics. Typically, single photon generation relies on optical excitation and requires large-scale optical set-ups with lasers and precise alignment of optical components. This research brings on-chip single photon emission for quantum communication a step closer.

「全電動単光子放出は集積量子光エレクトロニクスにとって主要優先事項です。一般的に、単一光子生成は、光学的励起に依存していて、レーザーと光学部品の正確な位置合わせを伴う大規模な光学系セットアップを必要とします。この研究は、量子通信のためのオンチップ単一光子放出へ一歩前進をもたらします。」

電動駆動回路

“Ultimately, in a scalable circuit, we need fully integrated devices that we can control by electrical impulses, instead of a laser that focuses on different segments of an integrated circuit. For quantum communication with single photons, and quantum networks between different nodes – for example, to couple qubits – we want to be able to just drive current, and get light out. There are many emitters that are optically excitable, but only a handful are electrically driven” In their devices, a modest current of less than 1 µA ensures that the single-photon behaviour dominates the emission characteristics.

「”最終的に、スケーラブル回路において、我々は、集積回路の異なるセグメントに焦点を合わせるレーザーの代わりに、電気インパルスによってコントロール可能な完全に一体化されたデバイスが必要です。単一光子を使った量子通信と、例えば、量子ビットを結合するための異なるノード間の量子ネットワークのために、我々はただ電流を駆動するだけで光が出て来るようにしたいのです。光学的に励起可能なエミッターはたくさんあるのですが、電動な物はほんの一握りです。”彼らのデバイスでは、1マイクロアンペア未満の少量の電流が、単一光子の振る舞いが発光特性を決定づけることを保証しています。」

電気だけを使ってデバイスを動かしたいようです。

TMD積層構造

The layered structure of TMDs makes them ideal for use in ultra-thin heterostructures for use on chips, and also adds the benefit of atomically precise layer interfacing. The quantum emitters are highly localised in the TMD layer and have spectrally sharp emission spectra.  The layered nature also offers an advantage over some other single-photon emitters for feasible and effective integration into nanophotonic circuits.

「TMDの積層構造は、それらを、チップ上で用いる極薄ヘテロ構造での利用に理想的にし、原子レベルで明確な層界面のメリットも加えています。その量子発光体はTMD層において高度に局所化され、スペクトル的に鋭敏な発光スペクトルを持っています。その層状性質は、ナノフォトニック回路への実現可能で効率的な統合のための他の単一光子発光体に対する利点も与えています。」

layered structureで重層構造、積み重ね構造、層状構造とも言えます。

“Electrically driven single photon sources are essential for many applications, and this first realisation with layered materials is a real milestone. This ultra-thin and flexible platform offers high levels of tunability, design freedom, and integration capabilities with nano-electronic platforms including silicon CMOS.”

「”電動の単一光子源は多くの用途にとって必要不可欠で、積層材料を使ったこの初めての実現は、本当の画期的な出来事です。この極薄で柔軟なプラットフォームが高いレベルの可同調性、設計の自由度、シリコンCMOSを含むナノ電子プラットフォームとの統合機能を提供しています。”」

This research is a fantastic example of the possibilities that can be opened up with new discoveries about materials. Quantum dots were discovered to exist in layered TMDs only very recently, with research published simultaneously in early 2015 by several different research groups including groups currently working within the Graphene Flagship.

「この研究は材料に関する新しい発見によって開かれ得る可能性の素晴らしい一例です。量子ドットが重構造TMD中に存在することが、Graphene Flagship内部で現在研究中のグループを含む、いくつかの異なる研究グループによって2015年上旬に同時に発表された研究によって発見されたばかりでした。」

Dr Marek Potemski and co-workers working at CNRS (France) in collaboration with researchers at the University of Warsaw (Poland) discovered stable quantum emitters at the edges of WSe2 monolayers, displaying highly localised photoluminescence with single-photon emission characteristics. Professor Kis and colleagues working at ETH Zurich and EPFL (Switzerland) also observed single photon emitters with narrow linewidths in WSe2.

「フランスの国立科学研究センターで、Marek Potemski博士と共働者は、ポーランドのワルシャワ大学の研究者と共同で、二セレン化タングステン単層の縁部で、単光子放出を伴う高度に局所化されたフォトルミネセンスを見せる、安定した量子発光体を発見しました。チューリッヒ工科大学とスイス連邦工科大学ローザンヌ校のKis教授と共働者は、WSe2中で狭い線幅を持つ単光子放出体を観測しました。」

At the same time, Professor van der Zant and colleagues from Delft University of Technology (Netherlands), working with researchers at the University of Münster (Germany) observed that the localised emitters in WSe2 are due to trapped excitons, and suggested that they originate from structural defects. These quantum emitters have the potential to supplant research into the more traditional quantum dot counterparts because of their numerous benefits of the ultrathin devices of the layered structures.

「一方、オランダのデルフト工科大学のvan der Zant教授と同僚は、ドイツのミュンスター大学の研究者との共同研究で、WSe2中の局在エミッタが、束縛励起子が原因している事に気付き、それらは構造欠陥に由来していることを示唆しました。これらの量子発光体は、重層構造の極薄デバイスの多くのメリットにより、より伝統的な対抗馬の量子ドットの研究に取って代わる可能性があります。

量子ドットはオワコンみたいです。量子コンピュータにもこの技術が使われることは100%確実だし、時代は全電動単光子量子発光体みたいな感じです。

二硫化タングステン

With this research, are now seen in another TMD material, namely tungsten disulphide (WS2). Professor Atatüre says “We chose WS2 because it has higher bandgap, and we wanted to see if different materials offered different parts of the spectra for single photon emission. With this, we have shown that the quantum emission is not a unique feature of WSe2, which suggests that many other layered materials might be able to host quantum dot-like features as well.”

「この研究で、量子発光体は現在、別のTMD材料、すなわち二硫化タングステンにも見られます。Atatüre教授は”我々は、それがバンドギャップなので、WS2を選び、異なる材料が単光子放出のための異なるスペクトル領域を提供するかどうかを知りたかったのです。これにより、我々は量子放射が、WSe2固有の特性ではなく、その事が、多くの他の積層材料が同様に量子ドットのような特徴をホストできる可能性があることを示唆していることを明らかにしました。”」

二セレン化タングステンだけではなく、二硫化タングステンにも同様な単一光子量子発光体が作られたようです。光励起ではない全電気励起な単光子放出が今後、さまざまな、タングステン系積層材料中に見出されることは容易に想像が付きます。

“We are just scratching the surface of the many possible applications of devices prepared by combining graphene with other insulating, semiconducting, superconducting or metallic layered materials. In this case, not only have we demonstrated controllable , but we have also shown that the field of quantum technologies can greatly benefit from layered materials. We hope this will bring synergies between the Graphene Flagship and its researchers, and the recently announced Quantum Technologies Flagship, due to start in the next few years. Many more exciting results and applications will surely follow”.

「我々は、他の絶縁体、半導体、超伝導、あるいは、金属層状材料とグラフェンを組み合わせることで作成されたデバイスの多くの実行可能なアプリケーション研究の初歩を試みているだけに過ぎません。今回のケースで我々は制御可能な光子源を実証しただけではなく、量子技術分野は、層状材料から大いに恩恵を受け得ることも明らかにしました。我々は、この事がグラフェンフラッグシップとその研究者達、来年開始予定であることが最近発表された、量子技術フラッグシップとの間に相乗効果をもたらすはずです。多くのよりエキサイティングな結果とアプリケーションが間違いなく続きます。」

これで量子コンピュータ実現にまた一歩近付いたことは間違いありません。このペースだと思ったよりも早く量子計算機が実現されるかもしれません。量子コンピューター完成の暁には、人類の科学は想像を絶するペースで進歩していくはずです。