QUANTUM NANOPHOTONICS

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Quantum Nanoparticles and Nanophotonic Devices for Quantum Information Technology

Fluorescent nanoparticles, such as fluorescent nanodiamonds and quantum dots, are essential for developing quantum information devices. These nanoparticles are stable and exhibit bright fluorescence, which even allows us to detect the presence of single nanoparticles. At the single-particle level, they behave like single atoms or molecules, exhibiting quantum properties in their optical emission and absorption and are therefore referred to as solid-state quantum two-level systems. To efficiently exploit their quantum properties, these two-level systems need to be integrated into nanophotonic devices that are fabricated using precise nanotechnology. For example, we previously reported nanodevices such as optical nanofibers and microwave guides [1-3]. By integrating solid-state two-level quantum systems with these nanophotonic devices, it is possible to extract emitted photons or achieve strong light-matter interactions that cannot be achieved using conventional optical microscopy. Such nanophotonic devices are expected to become increasingly important in future quantum computing and quantum information technologies. We believe that these nano-optical devices can also be used for other applications, such as chemical sensors [4].

蛍光ナノダイヤモンドや量子ドットといった蛍光性無機ナノ粒子は量子情報デバイスを作製する上で重要なナノ材料です。これらのナノ粒子は安定して明るい蛍光を示すため、単一粒子でも検出することができます。単一粒子になると一つの原子や分子などのように同じ量子力学的特性が現われるため、固体量子二準位系という名前で呼ばれることもあります。このような固体量子二準位系を効率的に光デバイス内に組み込むためには、ナノテクノロジーを駆使した光デバイス構造を使う事が必要です。例えば、私たちはナノ光ファイバやマイクロ導波路というナノデバイスを用いて来ました[1-3]。固体量子二準位系をこれらのナノ光デバイスに組み込むことで、一般的な顕微鏡レンズなどでは実現できないレベルで、二準位系からの発光を取り出すことや、二準位系と光の相互作用効率を向上させることができます。このようなナノ光量子デバイスは、量子コンピューティングや量子情報通信技術において今後ますます重要性が高まっていくと考えられます。現在、私たちはこれらのナノ光デバイスが量子デバイス以外にも利用できると考え、化学センサなどへの応用を模索しています[4]。

[1] Fujiwara et al., Nano Lett. 11, 4362 (2011).

[2] Fujiwara et al., Opt. Lett. 40, 5702 (2015).

[3] Fujiwara et al., ACS Omega 2, 7194-7202 (2017).

[4] 藤原,2015堀場雅夫賞受賞論文解説. (Japanese Review).