(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子スピンを持たない元素イオンから構成された結晶と、
前記結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットと
から構成され、
前記元素イオンは、Ｃｅ4+であることを特徴とする量子光学材料。
【請求項２】
Ｃｅ3+から構成された結晶と、
前記結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットと
から構成されたことを特徴とする量子光学材料。
【請求項３】
Ｃａ3ＷＯ6，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＳＯ4，Ｓｒ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＣｅＯ3，Ｃａ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，ＣａＣＯ3，Ｙ2ＷＯ6，Ｙ6ＷＯ12，Ｃａ3Ｓｉ2Ｏ7，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ3Ｏ12，Ｃａ2Ｙ8Ｓｉ6Ｏ26，Ｃａ2Ｙ2Ｓｉ2Ｏ9，ＳｒＹ4Ｓｉ3Ｏ13，ＣａＹ2Ｇｅ4Ｏ10，ＣａＹ2Ｇｅ3Ｏ10，ＭｇＹ4Ｓｉ3Ｏ13，Ｓｒ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，ＣａＴｉＯ3，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，Ｙ2ＧｅＯ5，ＳｒＹ2Ｏ3，ＳｒＴｉＯ3，ＺｎＷＯ4，Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7，ＭｇＹ4Ｓｉ2Ｏ13のいずれかの結晶と、
前記結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットと
から構成されたことを特徴とする量子光学材料。
【請求項４】
請求項３記載の量子光学材料において、
Ｓｉを含む前記結晶のＳｉは、28Ｓｉ4+または30Ｓｉ4+であることを特徴とする量子光学材料。
【請求項５】
請求項３または４記載の量子光学材料において、
Ｏを含む前記結晶のＯは、16Ｏまたは18Ｏであることを特徴とする量子光学材料。
【請求項６】
Ｃｅ3+より電子スピンが小さいイオンから構成された結晶と、
前記結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットと
から構成されたことを特徴とする量子光学材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の量子光学材料において、
前記Ｅｒ3+は、167Ｅｒ3+であることを特徴とする量子光学材料。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の量子光学材料において、
前記量子光学材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンド、Ｙ2ＳｉＯ5のいずれかからなる基板の上に形成されていることを特徴とする量子光学材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｅｒイオンが添加された結晶から構成された量子光学材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
１０００ｋｍ以上の長距離量子光インターネットを実現するためには、量子中継技術の確立、特に光子と電子との間で量子情報を変換してその記録・書き出しを可能とする量子メモリの開発が重要となる。一般に、量子メモリでは、量子ビット（物質中の電子）の量子情報を１秒以上保持していることが必要である。最近の急速な研究の進展により、既に数秒オーダーでコヒーレント状態を保持する長寿命（後述するＴ2，ｔ2が１秒以上）な量子ビットが得られている。
【０００３】
しかし、それらの量子ビットは、光ファイバーを導波する光との相互作用が弱いため、量子光通信に直接利用することは難しい。このため、光ファイバーを導波する通信波長帯（波長１．５μｍ）の光子と強く相互作用し、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットの開発が、量子光ネットワーク実現のブレイクスルーとなる。
【０００４】
この中で、量子ビットの有力な候補として注目を集めているのが、単結晶中に添加された希土類元素エルビウム（Ｅｒ）の３価のイオン（Ｅｒ3+）である（非特許文献１参照）。Ｅｒ3+は、内殻電子の４ｆ軌道に１１個の電子を持ち、極低温では４ｆ軌道の基底のエネルギーレベル（4Ｉ15/2）に存在する。これらの電子は、外殻の５ｄ電子や６ｓ電子よりも内殻に分布しているため、外界から電気的に遮蔽されている。このため、Ｅｒ3+のエネルギーレベルは固体の中にありながらも原子と類似しており、結晶場、外部ノイズの影響を受けにくい。さらに、Ｅｒ3+の基底（4Ｉ15/2）の電子を第１励起準位（4Ｉ13/2）に励起した場合、図１に示すように、励起電子はエネルギーの一部を光として放出し、基底準位へ戻ることができる。
【０００５】
上述したことにより放出される光の波長は、通信波長帯に一致するため、Ｅｒ3+は、光子と電子が通信波長帯で相互作用する量子ビットとして大きな可能性をもつ。
【０００６】
Ｅｒ3+による量子ビットの量子情報（寿命）は、観測される発光・吸収スペクトルの均一幅に含まれている。均一幅（Γh）は、フォノンによる寄与、ホスト結晶（母結晶）と添加イオンとの相互作用による寄与、添加イオン間の相互作用による寄与、緩和時間Ｔ1により決まる発光の自然幅［Γn＝１／（２πＴ1）］による寄与の足し合わせで決まる量である。
【０００７】
この均一幅の逆数が、量子ビットの性能を決めるスピン緩和時間（Ｔ2：横緩和時間）に比例する（Γh＝１／πＴ2）ので、Ｔ2を大きくするためには、それぞれの寄与を小さくする必要がある。ここで、自然幅の寄与は、材料の固有の値であり、Ｔ1が大きいホスト結晶を選ぶことで小さくすることができる。また、フォノンの寄与は、結晶を極低温に冷却することで小さくすることができる。また、添加イオン間の相互作用の寄与は、添加量を減らすことで小さくすることができる。これらの中でも、ホスト結晶と添加イオンの相互作用による寄与を小さくすることが、量子ビットの寿命を長くすることにおいて重要となる。
【０００８】
従来、Ｅｒ添加用量子光学単結晶としてＹ2ＳｉＯ5（ＹＳＯ）結晶が利用されてきている。ＹＳＯのすべての構成元素は核スピンをもつが、核スピン大きさが小さく［Ｙ（１００％，−０．１３７μN），29Ｓｉ（４．７％，−０．５５４μN），17Ｏ（０．０４％，−１．８９μN）］、比較的長い緩和時間を示している。なお、μNは、核磁子である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】C. W. Thiel et al. , "Rare-earth-doped materials for applications in quantum information storage and signal processing", Journal of Luminescence, vol.131, pp.353-361, 2011.
【非特許文献２】M. Warner et al. , "Potential for spin-based information processing in a thin-film molecular semiconductor", Nature, vol.503, pp.504-508, 2013.
【非特許文献３】M. Zhong et al. , "Optically addressable nuclear spins in a solid with a six-hour coherence time", Nature, vo517, pp.117-180, 2015.
【非特許文献４】M. Notomi et al. , "Extremely Large Group-Velocity Dispersion of Line-Defect Waveguides in Photonic Crystal Slabs", Physical Review Letters, vol.87, no.25, 253902, 2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、量子光通信をより現実的なものとするためには、緩和時間が１秒程度となっていることが望ましい。しかしながら、Ｅｒ−ＹＳＯ系において、定量的には、Ｔ1は１０ｍｓ、Ｔ2は４．４ｍｓと求められている［図２の（ａ）］。なお、Ｔ2＞２Ｔ1の関係から、Ｔ2の上限は（２０ｍｓ）と予測されている［図２の（ｂ）］。この値は、測定結果（４．４ｍｓ）と比較すると約５倍程度の大きな開きがある（非特許文献２参照）。また、市販されているＹＳＯ中の167Ｅｒ3+イオンのサブレベル間での縦緩和（ｔ1）および横緩和（ｔ2）は、図２の（ｃ）に示すように、温度１．５Ｋで１００ｍｓと１μｓと求められている。従って、現在、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが求められている。
【００１１】
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、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る量子光学材料は、電子スピンを持たない元素イオンから構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットとから構成されている。元素イオンは、Ｃｅ4+である。
【００１３】
本発明に係る量子光学材料は、Ｃｅ3+から構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットとから構成されている。
【００１４】
量子光学材料は、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、Ｃａ−Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系、Ｙ−Ｗ−Ｏ系、Ｃａ−Ｗ−Ｏ系のいずれかの化合物の結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。
【００１５】
本発明に係る量子光学材料は、Ｃａ3ＷＯ6，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＳＯ4，Ｓｒ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＣｅＯ3，Ｃａ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，ＣａＣＯ3，Ｙ2ＷＯ6，Ｙ6ＷＯ12，Ｃａ3Ｓｉ2Ｏ7，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ3Ｏ12，Ｃａ2Ｙ8Ｓｉ6Ｏ26，Ｃａ2Ｙ2Ｓｉ2Ｏ9，ＳｒＹ4Ｓｉ3Ｏ13，ＣａＹ2Ｇｅ4Ｏ10，ＣａＹ2Ｇｅ3Ｏ10，ＭｇＹ4Ｓｉ3Ｏ13，Ｓｒ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，ＣａＴｉＯ3，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，Ｙ2ＧｅＯ5，ＳｒＹ2Ｏ3，ＳｒＴｉＯ3，ＺｎＷＯ4，Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7，ＭｇＹ4Ｓｉ2Ｏ13のいずれかの結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットとから構成されている。
【００１６】
上記量子光学材料において、Ｓｉを含む結晶のＳｉは、28Ｓｉ4+または30Ｓｉ4+であるとよい。また、Ｏを含む結晶のＯは、16Ｏまたは18Ｏであればよい。
【００１７】
本発明に係る量子光学材料は、Ｃｅ3+より電子スピンが小さいイオンから構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+からなる量子ビットとから構成されている。
【００１８】
上記量子光学材料において、Ｅｒ3+は、167Ｅｒ3+であればよい。
【００１９】
上記量子光学材料において、量子光学材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンド、Ｙ2ＳｉＯ5のいずれかからなる基板の上に形成されていればよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したことにより、本発明によれば、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、Ｅｒの同位体イオンの量子準位構造を説明するための説明図である。
【図２】図２は、各単結晶に添加されているＥｒイオンのスピン緩和時間と温度との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２３】
［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。実施の形態１における量子光学材料は、電子スピンを持たない元素イオンから構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。例えば、Ｏ2-,Ｃａ2+，Ｓｒ2+,Ｈｆ4+,Ｃ4+，Ｓｃ3+，Ｙ3+，Ｔa5+，Ｎa+，Ｔi4+，Ｂａ2+，Ｗ6+，Ｍｇ2+，Ｖ5+，Ｚｒ4+，Ｌａ3+，Ｓｉ4+，Ｃｒ6+，Ｎｂ5+，Ｐ3+，Ｚｎ2+，Ｃu+,Ｍｏ6+，Ｙb2+，Ｓ4+，Ｓ2-,Ｇｅ4+,Ｓｅ2-,Ｓｅ4+,Ｓｅ6+,Ｌｕ3+は、電子スピンを持たない。
【００２４】
上述した電子スピンを持たないイオンにより構成される結晶、例えば、Ｙ2Ｏ3，Ｌａ2Ｏ3，Ｌｕ2Ｏ3などの酸化物結晶、Ｃａ3Ｓｉ2Ｏ7，Ｃａ3Ｓｃ2Ｓｉ3Ｏ12などのシリケイトあるいはこれらの混晶酸化物例えば（ＬａＬｕ）2Ｏ3または混晶シリケイト例えば（ＬｕＬａ）2ＳｉＯ5，（ＬｕＬａ）2Ｓｉ2Ｏ7，（ＹＳｃ）2ＳｉＯ5，（ＹＳｃ）2Ｓｉ2Ｏ7などを、Ｅｒ3+を添加するホスト結晶とすればよい。
【００２５】
なお、量子光学材料は、例えばＣＺ法（チョクラルスキー法、引き上げ法）、ＦＺ（フローティングゾーン）法などの単結晶育成法により形成すればよい。また、例えば、化学的気相成長法、分子線エピタキシー法、物理蒸着法、パルスレーザアブレーション法などにより、基板の上に薄膜結晶，ナノ結晶として形成してもよい。ここで、上記基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンド、Ｙ2ＳｉＯ5などの電子スピンと核スピンモーメントの比較的小さな結晶から構成されているとよい。
【００２６】
結晶中のＥｒ3+の電子スピンは、ホスト結晶における電子スピンおよび核スピンの影響を受けてコヒーレンスが短くされる。これにより、緩和時間をｍ秒以上にすることを困難としている。これに対し、上述した電子スピンおよび核スピンモーメントが極めて小さい単結晶（ノンスピンバス結晶）を用いることで、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが可能となり、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットが可能となる。例えば、通信波長帯である波長１．５μmと相互作用はしないが、Ｅｕを添加したＹ2ＳｉＯ5では、寿命が２１，６００ｓ（６時間）の例もあり（非特許文献３参照）、１秒は決して不可能な数字ではない。
【００２７】
ここで、電子スピンモーメントも核スピンも持たないＣｅ4+イオンにより構成された結晶を用いることがより効果的である。Ｃｅは、核スピンを持たない唯一の元素であり、Ｃｅの＋４価イオンは電子スピンも持たない。従って、Ｃｅ4+イオンは理想的なノンスピンイオンである。Ｃｅ4+イオンにより構成される酸化物結晶として、例えばＣｅＯ2がある。Ｏ2-は電子スピンを持たず核スピンがほぼゼロに近いため、ＣｅＯ2は、理想的なノンスピンバス結晶である。
【００２８】
ところで、ホスト結晶を酸化物またはシリケイトとする場合、ホスト結晶中の酸素に含まれる同位体17Ｏがもつ微量の核スピンが、寿命を短くする原因となる。従って、Ｏを含むホスト結晶では、Ｏを核スピンを持たない同位体16Ｏあるいは18Ｏとするとよい。同様に、29Ｓｉは、核スピンを持つため、Ｓｉを含むホスト結晶では、Ｓｉを核スピンを持たない28Ｓｉあるいは30Ｓｉとするとよい。
【００２９】
［実施の形態２］
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態２における量子光学材料は、ＺｎＯ、ＳｉＯ2、Ｃａ−Ｙ−Ｓｉ−Ｏ系、Ｙ−Ｗ−Ｏ系、Ｃａ−Ｗ−Ｏ系のいずれかの化合物の結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。例えば、Ｙ2ＳｉＯ5（ＹＳＯ），Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7，Ｙ2ＯＳ，Ｙ2Ｓ3Ｏ12，ＹＥｒＯ2Ｓ，Ｙ2Ｏ2Ｓなどを、Ｅｒ3+を添加するホスト結晶とすればよい。これらのようなノンスピンバス結晶を用いることで、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが可能となり、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットが可能となる。
【００３０】
［実施の形態３］
次に、実施の形態３について説明する。実施の形態３における量子光学材料は、Ｃｅ3+から構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。例えば、Ｃｅ2Ｏ3，ＳｒＣｅＯ3、Ｃｅ2Ｏ3，ＣｅＳｉＯ4,Ｃｅ2ＳｉＯ5，Ｃｅ2Ｓｉ2Ｏ7，Ｃｅ2ＳＯ2，Ｃｅ2Ｗ3Ｏ12，ＣｅＴi2Ｏ6，Ｃｅ2Ｏ2Ｓなどを、Ｅｒ3+を添加するホスト結晶とすればよい。Ｃｅ3+は、核スピンを持たず、また、電子スピンモーメントが２．５μBと小さいため、ノンスピンイオンとして適当である。従って、上述したノンスピンバス結晶を用いることで、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが可能となり、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットが可能となる。
【００３１】
［実施の形態４］
次に、実施の形態４について説明する。実施の形態４における量子光学材料は、Ｃａ3ＷＯ6，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＳＯ4，Ｓｒ3Ｙ2Ｓｉ6Ｏ18，ＣａＣｅＯ3，Ｃａ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，ＣａＣＯ3，Ｙ2ＷＯ6，Ｙ6ＷＯ12，Ｃａ3Ｓｉ2Ｏ7，Ｃａ3Ｙ2Ｓｉ3Ｏ12，Ｃａ2Ｙ8Ｓｉ6Ｏ26，Ｃａ2Ｙ2Ｓｉ2Ｏ9，ＳｒＹ4Ｓｉ3Ｏ13，ＣａＹ2Ｇｅ4Ｏ10，ＣａＹ2Ｇｅ3Ｏ10，ＭｇＹ4Ｓｉ3Ｏ13，Ｓｒ3Ｙ2Ｇｅ3Ｏ12，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，ＣａＴｉＯ3，Ｙ2Ｔｉ2Ｏ5，Ｙ2ＧｅＯ5，ＳｒＹ2Ｏ3，ＳｒＴｉＯ3，ＺｎＷＯ4，Ｙ2Ｓｉ2Ｏ7，ＭｇＹ4Ｓｉ2Ｏ13のいずれかの結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。
【００３２】
実施の形態４における上述した結晶は、構成原子（イオン）の核スピン量を合計した全核スピン量が、ＹＳＯ（３．７８×１０20μN）より小さい。従って、上述したノンスピンバス結晶を用いることで、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが可能となり、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットが可能となる。
【００３３】
［実施の形態５］
次に、実施の形態５について説明する。実施の形態５における量子光学材料は、Ｃｅ3+より電子スピン（電子スピンモーメント）が小さいイオンから構成された結晶と、結晶に添加されたＥｒ3+とから構成されている。例えば、Ｓｍ3+（１．５μB），Ｔi3+（１．７３μB），Ｃｕ2+（１．７３μB），Ｖ4+（１．７３μB）は、Ｃｅ3+より電子スピンが小さい。これら電子スピンが小さいイオンから構成した結晶は、ノンスピンバス結晶として適当であり、これらノンスピンバス結晶を用いることで、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることが可能となり、１秒以上コヒーレント状態を保持する長寿命な量子ビットが可能となる。
【００３４】
ところで、添加元素のＥｒには、162Ｅｒ,164Ｅｒ,166Ｅｒ,167Ｅｒ,168Ｅｒ,170Ｅｒの６種類の同位体が存在する（図１参照）。これらの中でも、存在比２３％の167Ｅｒだけが、核スピンを持つ。167Ｅｒ3+は、対称性の低い結晶中ですべてのエネルギー準位の縮退が解け、外部磁場を印加しなくても明瞭に超微細構造分裂を示す。従って、Ｅｒ3+として167Ｅｒ3+を用いることで、外部磁場の印加を必要とせずに、量子ビットを実現することができる。
【００３５】
一方、核スピンを持たない同位体（162Ｅｒ3+,164Ｅｒ3+,166Ｅｒ3+,168Ｅｒ3+,170Ｅｒ3+）の場合には、外部磁場印加によりエネルギーレベルの縮退が解け、適宜適当なエネルギー幅に分裂させることができる（ゼーマン効果）。これら超微細構分裂あるいはゼーマン効果によるサブレベル間遷移は、超伝導磁束素子による電子量子ビットとコヒーレント結合できる可能性があり、光学遷移と同様サブレベル間遷移も長寿命な量子ビットの実現には効果的である。
【００３６】
なお、ドーパントのＥｒ3+は、核スピンが混在すると擾乱の原因になる。従って、核スピンをもつ167Ｅｒ3+を使う場合には、核スピンが影響を及ぼす光学遷移（Ｔ2）ではなく、超微細構造分裂によるサブレベル間遷移（ｔ2）を用いる。一方、核スピンのない162Ｅｒ3+,164Ｅｒ3+,166Ｅｒ3+,168Ｅｒ3+,170Ｅｒ3+を使う場合には、光学遷移（Ｔ2）を用いればよい。これに加え、さらに外部磁場を加えてゼーマン効果によるサブレベル間遷移（ｔ2）を用いれば、より効果的である。
【００３７】
以上に説明したように、本発明では、電子スピンおよび核スピンモーメントが極めて小さい単結晶をホスト結晶としたので、単結晶中のＥｒイオンによる量子ビットの寿命をより長くすることができる。
【００３８】
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。
【図１】
0006612650.tif 000002
【図２】
0006612650.tif 000003