電子の波を自在に操る!プラズモンの速さを共振器で制御 ~プラズモン波束を用いた高忠実度な量子回路を実現する新技術~

2025-11-20 大阪大学

大阪大学らの研究グループは、GaAs/AlGaAs ヘテロ接合の 2 次元電子系において、電子の集団運動であるプラズモン波束の固有状態(伝搬速度)を高精度に制御する新手法を実証した。プラズモン波束は量子回路動作の忠実度を左右する重要な物理量だが、従来は回路幅の変更によって速度を調整していたため、不純物などにより一様な制御が難しいという課題があった。研究チームは、回路上の2か所だけ幅を部分的に狭めてファブリーペロー共振器を形成し、その共振条件を制御することで、波束の固有状態を自在に操ることに成功。これにより、回路全体の幅に依存せず、任意の位置で精密にプラズモンの速度状態を設定できる新しい量子デバイス技術が提示された。本成果は、高忠実度量子回路や大規模量子コンピュータの実現に向けた基幹技術として期待され、量子状態を波束の速度として符号化・制御する新たな量子電子工学の可能性を開くものである。

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<関連情報>

電子チャネル遮断によるプラズモン波束の固有状態制御 Eigenstate control of plasmon wavepackets with electron-channel blockade

Shintaro Takada,Giorgos Georgiou,Junliang Wang,Yuma Okazaki,Shuji Nakamura,David Pomaranski,Arne Ludwig,Andreas D. Wieck,Michihisa Yamamoto,Christopher Bäuerle & Nobu-Hisa Kaneko
Nature communications  Published:12 November 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-64876-z

Abstract

Coherent manipulation of plasmon wavepackets in solid-state systems is crucial for advancing nanoscale electronic devices, offering a unique platform for quantum information processing based on propagating quantum bits. Controlling the eigenstate of plasmon wavepackets is essential, as it determines their propagation speed and hence the number of quantum operations that can be performed during their flight time through a quantum system. When plasmon wavepackets are generated by short voltage pulses and transmitted through nanoscale devices, they distribute among multiple electron conduction channels via Coulomb interactions, a phenomenon known as charge fractionalisation. This spreading complicates plasmon manipulation in quantum circuits and makes precise control of the eigenstates of plasmon wavepackets challenging. Using a cavity, we demonstrate the ability to isolate and select electron conduction channels contributing to plasmon excitation, thus enabling precise control of plasmon eigenstates. Specifically, we observe an electron-channel blockade effect, where charge fractionalisation into cavity-confined channels is suppressed due to the plasmon’s narrow energy distribution, enabling more stable and predictable plasmonic circuits. This technique provides a versatile tool for designing plasmonic circuits, offering the ability to tailor plasmon speed through local parameters, minimise unwanted plasmon excitation in adjacent circuits, and enable the precise selection of electron-channel plasmon eigenstates in quantum interferometers.

0403電子応用
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