シンポジウム（T-5）開催報告
⾃在な量⼦制御に向けた光＝物質強結合系の科学
Sciences of Strong Light-Matter Interaction for Tailored Quantum Manipulation
2023 年 3 ⽉ 15 ⽇ (⽔) 13:30 〜 18:00 A304 会場
レーザー技術の⼤幅な進展と、エレクトロニクスをはじめとした微細加⼯技術の発展により、近年、光と物質の相互作⽤を制御する研究が盛んに⾏われています。特に、共振器などを⽤いて、光と物質を強く結合させ、物質の量⼦状態そのものを変調させる研究やその応⽤、また、光電場によって物質が駆動される現象を活⽤した物性制御などの研究が注⽬されます。これらの光と物質が強く結合した領域では、従来の光励起過程とは異なる物理が現れることから、これまでにない、新たな量⼦状態制御が可能になることも少しずつですがわかってきています。そこで本シンポジウムでは、このような新しい光と物質の相互作⽤を活⽤した研究について、理論、基礎物理、応⽤のそれぞれの側⾯から概観し、光−物質強結合系の持つ新たな可能性を探索し、今後の研究の⽅向性を概観することを⽬指しました。
＜講演内容＞[15p-A304-1] 13:30〜13:35 はじめに
「はじめに」では、本シンポジウムの企画趣旨などについて簡単に述べました。特に量⼦状態を⾃在に制御することは、⾃然科学の重要な⽬標の⼀つであり、量⼦計算や化学反応、デバイス物理、物性制御、エレクトロニクス、光加⼯等各分野への応⽤につながるものと考えられます。そこで、これらの応⽤を⾒据えた光と物質の相互作⽤に関する研究を概観するとともに、それぞれの最先端で、どのような制御が⽬指されているのか、また、強電場や強結合を活⽤して何ができるのか、について議論したいということを述べました。
[15p-A304-2] 13:35〜14:05 量⼦スピード限界で動作する冷却原⼦型・超⾼速量⼦コンピュータ
⼤森賢治（分⼦科学研究所）
はじめに、超短パルスレーザーを利⽤して、トラップ原⼦の量⼦状態を⾛査し、量⼦コンピュータへと応⽤する研究が紹介されました。特に冷却原⼦系では⾮常に多くの量⼦ビットをつまんで動かすことができ、その位置を精密に制御することで相互作⽤を調整することができることから、量⼦計算のプラットフォームとして⾮常に有望であることが述べられました。実際に実験では、⾼いリュードベリ状態に励起した原⼦対に光励起を施すことで、ナノ秒程度の⾮常に速い時間スケールでの量⼦ゲート⾛査が実現できることが⽰されました。量⼦計算の分野では、相互作⽤の制御が⾮常に重要な役割を担うことがわ
かる⾮常に興味深い講演でした。
[15p-A304-3] 14:05〜14:35 熱平衡下の量⼦制御に向けた光と物質の超強結合
⾺場基彰（京都⼤学）
続いて、光と物質の強結合状態を極限まで追求し、熱平衡下での量⼦状態制御を⽬指した、理論的な研究

が紹介されました。超放射相転移と呼ばれる、基底状態で光の場が相転移を起こし有限の値を取る転移について理論的な検討の報告がなされ、その中で、電⼦双極⼦を利⽤した相転移は、ハミルトニアンのベクトルポテンシャルの⼆乗の項の寄与によって起こりにくいが、磁気双極⼦を⽤いた場合にはこの制約を回避することができることが述べられました。実際に実験との対⽐もあり、相転移以下ではゆらぎが⼤きくなるということが理論的に提案されており今後の実証研究にも期待がもたれます。本⼿法を⽤いればマクロな量⼦状態の制御が可能であり、量⼦計算や量⼦制御への適⽤が今後期待されることをうかがわせる内容でした。
[15p-A304-4] 14:35〜15:05 ナノ構造半導体における量⼦コヒーレンスと光電機能
⽥原弘量（京都⼤学）
さらに、物質の量⼦状態の側をナノスケールとし、強い閉じ込め効果を活⽤して光電変換へと応⽤するための基礎物理の解明に関する報告がなされました。位相を制御したパルス列を⽤いることで、ナノ半導体中の励起⼦が⽣成する⾼調波の信号を解析することができ、それにより量⼦協⼒効果が表れ得ることを明らかにしたものです。ナノ粒⼦は、物質側の量⼦状態を精密に制御することのできるものであり、例えば、室温で 100%に近い発光効率を実現することも可能であるなど注⽬されています。本実験で明らかにされた量⼦コヒーレンスを今後、強結合系へと展開することで、新たな光電機能の発現⽅法が明らかになることが期待される内容でした。
[15p-A304-5] 15:05〜15:35 磁性ヘテロ構造薄膜の超⾼速スピン制御
飯浜賢志（東北⼤学）
次に磁性体の薄膜を、光を⽤いて励起することによって、超⾼速のスピン制御を⾏う実験的な研究が紹介されました。物質系は、誘電性から磁性まで多様であるが、光の側も波⻑や偏光など、多様な⾃由度を持ち、これらをうまく制御していくことで、光とスピンを融合した研究が展開できることが⽰されました。特にスピンの歳差運動の位相を精密に解析することにより、円偏光誘起スピンの効果を定量的に評価できることが⽰されており、スピントロニクスの分野でも超⾼速制御に向けた研究が進みつつあることを明らかにしていると思われます。
[15p-A304-6] 15:50〜16:20 シフトカレントと量⼦物質制御⼩川直毅（理化学研究所）
後半は、量⼦物質の応答の⼀つとして、シフトカレントがどのような条件で現れるかに関する最新の研究が紹介されました。シフトカレントとは、波数空間の⾮対称性によって⽣じる、電荷のシフトのことを表しており、そのメカニズムが⾮常に注⽬されているところです。電⼦状態の対称性が電流応答としてマクロに取り出される点で⾮常に興味深く、量⼦物質のトポロジーの解明のための強⼒な⼿法となり得ることが⽰されました。テラヘルツから⾚外領域の応答が物性の量⼦特性の解明につながり、制御につながる可能性もあるという点で、興味深い講演でした。
[15p-A304-7] 16:20〜16:50 強レーザー電場下におけるアト秒電⼦ダイナミクスの第⼀原理的解析
佐藤駿丞（筑波⼤学）

次に光電場駆動の時間応答を第⼀原理計算によって解明する研究が紹介された。特に Ti における内核遷移や、磁性⾦属の応答などが理論的に明らかにされてる様が報告されました。実験とも良い⼀致を⽰している点で強⼒な⼿法であることが紹介されています。数値計算では、計算結果から電⼦状態変化詳細な推移を解析することが可能であり、この点でも、今後の光−物質強結合系の理解において、重要な位置を占めるものと期待される内容でした。
[15p-A304-8] 16:50〜17:20 超伝導体、強相関電⼦系におけるペタヘルツ電⼦駆動
岩井伸⼀郎（東北⼤学）
更に、短パルスのレーザーを⽤いて強相関電⼦系を駆動し、強電場での電荷駆動やその熱化のダイナミクスが紹介されました。独⾃の広帯域超短パルスレーザーによって駆動される現象は物質によって多様であり、⼆次⾼調波発⽣や⾮線形信号の、パルスの位相に依存した応答など様々な興味深い現象が報告されていました。まだ完全な解明には⾄っていないとのことでしたが、本⼿法による計測の対象も、誘電体から超伝導体、磁性体と幅広く、超⾼速領域で⽣じる現象には、様々な興味深い特性が現れることがわかりました。
[15p-A304-9] 17:20〜17:50 フェムト秒レーザー加⼯の光制御
⾕峻太郎（東京⼤学）
最後に、強いレーザー電場を印加する状況としては極限的な現象にあたる、レーザー加⼯のダイナミク
ス研究の最先端についてご講演をいただきました。レーザー加⼯の初期過程では光と物質が強く相互作⽤しているが、この初期過程によってどの程度励起過程を制御できるのかが重要な課題として研究されていることが分かりました。特にレーザー加⼯は様々な現象がマルチスケールに起こることから、その解釈が難しい現象として知られています。しかしながら、近年の計測技術や深層学習技術の進展により、そのメカニズムが徐々に解きほぐされつつあることが報告されていました。今後、加⼯の制御に向けた研究が活性化する、契機となるような研究でした。
＜おわりに＞
本シンポジウムでは、光と物質が強く結合した系として、共振器やナノ構造を利⽤した系や、強い光電場と物質が相互作⽤する系について各⽅⾯の最先端を研究する研究者にご講演いただきました。どの講演も⾮常にレベルが⾼く、刺激的なシンポジウムとなったのではないかと考えています。実際に現地とオンラインの会場を合わせて常時 150 ⼈程度の聴講者が参加し、活発に意⾒交換が⾏われていました。⾒
られる現象は様々なエネルギースケールのものがあり、関係する光の波⻑や強さも様々ではありましたが、同時に類似している部分もあることも⾒て取れたのではないかと思います。光と物質が強く結合する系を通した量⼦状態の制御は、今後さらに発展していくものと期待させるシンポジウムであったと⾔えます。このような研究領域の取り組みを通して新しいアプリケーションや物理現象を⾒つけ出していくには、引き続き分野融合の取り組みを進め、海外をも巻き込みながら研究を進めていく必要があると感じました。
世話⼈：⽚⼭郁⽂（横浜国⼤）、廣理英基（京都⼤学）、佐藤琢哉（東京⼯業⼤学）、芦原聡（東京⼤学）、岡隆史（東京⼤学）、岡野真⼈（防衛⼤学校）