量子ドット                   ＆マイクロキャビティ

量子特性は、通常、環境によるデコヒーレンスのため、特定のサンプル形状と冷却を用いない限り、マクロな物体では観測できません。例えば、マイクロキャビティを用いることで、比較的大きなマイクロメートルスケールの構造において量子効果を観測することが可能になります。図は、直径約30ミクロンの孤立したドーナツ型のガラス製マイクロキャビティを示しています。この形状により、このマイクロキャビティはマクロな機械的振動子であると同時に、リング状の高Q値光共振器でもあります。つまり、特定の波長の光は、エバネッセント波結合によってこのマイクロキャビティに結合できます。振動光は全反射によってドーナツの壁で反射し、放射圧によって構造に小さな力を伝達します。

このように、結合した光は構造の振動挙動に影響を与え、逆もまた同様です。そのため、マイクロキャビティは量子研究にとって興味深い対象となっています。例えば、[1]では、光と機械的振動の間のこのようなパラメトリック結合が観測されました。 [2]では、このようなマイクロキャビティのアクティブフィードバック冷却に、光機械結合に基づくセンサーが用いられた。

マイクロキャビティはサイズが小さいため、自由スペクトル範囲が比較的広く、わずかなサイズの変化でも大きなスペクトルシフトが生じる。そのため、広帯域モードホップフリーの波長可変レーザーは、マイクロキャビティの共振周波数の探索と研究に非常に有用なツールとなる。

​​マイクロキャビティのサイズやその他の環境パラメータに対するスペクトル依存性は、有望な応用例として、溶液中の単一生体分子のラベルフリー検出に利用できる。これは、マイクロトロイド光共振器とCTLのような広帯域モードホップフリーレーザーを組み合わせることで実現される。[3]では、このようなレーザーをマイクロトロイド光共振器に安定化する方法と、共振器に結合する分子によって引き起こされる光共振周波数のシフトをどのように観測するかについて説明されている。レーザーは周波数の変化を追跡し、レーザー周波数のシフトを調べることで、半径 2 nm から 100 nm の粒子を検出して区別することができます。

半導体量子ドットは、その小さなサイズと3次元的な閉じ込めにより、原子のような挙動を示す刺激的なナノ構造です。この閉じ込めにより、量子ドット内の電子状態は量子化され、このような構造はしばしば人工原子と呼ばれます。原子のような特性は、強い光子反集束と寿命限界に近い線幅の実証によって検証されています。量子ドットは一般に量子ビットを実現するための興味深いシステムであり、特に半導体量子ドットは、半導体プロセスが十分に研究され理解されているため、スケーラブルな量子コンピュータの有望な候補です。実際の原子とは異なり、半導体量子ドットは制御された方法で成長および配置できます。量子ドットを導波路やフォトニック結晶構造（例：共振器）などの他の半導体構造に統合することで、原子を捕捉することなく共振器QED実験も可能です。

スケーラブルな量子ビットアレイへの道のりにおいて、結合量子ドットは最近大きな関心を集めています。結合量子ドットにおける電子輸送測定により、電子スピンと核スピンのスピン感受的結合および操作が実証され、自己組織化結合量子ドットにおける結合励起子の光学スペクトルの測定と計算も行われている。

量子ドット状態の共鳴光励起は、特にコヒーレント状態の操作と検出において極めて重要である。しかし、本質的にランダムな成長過程のため、すべての量子ドットのサイズはわずかに異なり、したがって異なる光共鳴周波数を有する。単一の量子ドットの光遷移を検出し、共鳴励起するには、広範囲にモードホップフリーで波長可変な狭帯域レーザーが理想的なツールである。