ブックタイトルクロスオーバーNo.42

概要

クロスオーバーNo.42

05学際高等研究教育院／学際科学フロンティア研究所 東北大学クロスオーバー No.42In our modern world, we aresurrounded by information,and huge amounts of data areconstantly being transferred allacross the globe. Concretely, ourcurrent means of transmittinginformation relies on sendingpulses of light through opticalfibers. In order to reliably senda message from one end of thefiber to the other, one typicallyuses a binary encoding, i.e. bits:if during a given time interval apulse of light comes, one assigns the value 1; otherwise thevalue 0 is assigned. This simple but efficient scheme hasbeen at the heart of what came to be modern-day opticaltelecommunications.However, light itself is much more than just a successionof bright pulses. It is actually composed of quantum particles,called photons. The adjective quantum is quite importanthere, since in the realm of quantum physics, photonsare allowed things that traditional classical particles(say, billiard balls) would never be able to do. However, ifwe try to measure their properties (such as momentum,polarization, time of arrival, etc.), the photons will go backto“ behaving classically” (like a billiard ball).We can thus clearly see that light is in fact quite a complexphysical object. But this also means that its rich behaviorcould be used to our advantage! The idea of opticalquantum communication aims at actually taking advantageof these untapped quantum resources in order to developnovel, more robust and safer ways to communicate usinglight no as bits, but as qubits.My research is focused around a non-classical propertyof photons called quantum entanglement. When a pair ofphotons is sent to two different places, the correlationsbetween the results of local measurement performed oneach photon can be made much stronger than what wouldbe classically allowed. These strong correlations are a preciousresource for processes such as quantum teleportation,where one wishes to send quantum information fromone place to another. The goal of my work is to theoreticallyand experimentally develop new ways of measuringentangled systems such that even after the measurement,some of the non-classical behavior of the photon pair survives(unlike the photon position measurement describedabove). This would allow more flexibility in the implementationof present quantum telecommunication schemes,which remains challenging to this day.相変化材料（PCM）は同一の材料中で原子が不規則に配列した「アモルファス相」と原子が規則的に配列した「結晶相」、この二つの相を可逆的かつ高速に行き来可能な材料を指します。PCM は二つの相の間で電気抵抗や反射率が大きく異なるという特徴を持っており、この特徴を利用して光ディスクや不揮発性メモリに応用されています。最近では、PCM を用いた不揮発性メモリである「相変化メモリ」が、これからの情報通信社会を支える重要な役割を担うと期待されており、多くの研究者がより高性能な材料開発に取り組んでいるのが現状です。相変化メモリはアモルファス相の高い電気抵抗と結晶相の低い抵抗、それぞれに1 と0 を割り当てて情報を不揮発に記録しており、その原理上、アモルファス相が安定に長期間保持される必要があります。それ故、材料開発において最も重要な目標はアモルファス相の安定性の向上です。一方で、これまで行われてきた相変化材料の材料開発の歴史を見てみると、多くの相変化材料が、S やSe、Te といった16 族元素をベースとして14 ～ 16 族元素の組み合わせで構成されています。アモルファス相の安定性を向上させるには、原子同士が強い結合を形成する必要があり、14・15 族元素と比較して遷移金属はTe と非常に強い結合を形成する事が知られていますが、これまで遷移金属を含んだPCM の報告は多くありませんでした。そこで私の研究では元素選択の範囲を従来の14 ～ 16 族元素に留めず、遷移金属にまで広げ新規材料の開発を目指しました。このような背景のもと、私の研究では遷移金属であるCrに着目し、Cr を含んだ新規相変化材料の開発を行ってきました。実用材料のアモルファス相は110℃の温度下で10 年間安定に存在できると報告されていますが、これに対して本研究で開発した新材料は110℃の温度下で1000 万年は安定に存在できることが実験によって分かりました。また、この材料はアモルファス相が非常に安定であるにも関わらず、30 ナノ秒程度で高速に結晶相に変化することも可能であり、非常に興味深い相変化機構を有しています。今後の研究ではアプリケーションへの応用のみならず、新材料の相変化機構の解明を目指して研究を行う予定です。「 Gently measuringentangled photon pairs」「 遷移金属が切り拓く新しい相変化材料探索」Vidil Pierre情報・システム領域博士研究教育院生3年工学研究科電子工学専攻畑山 祥吾デバイス・テクノロジー領域博士研究教育院生3年工学研究科知能デバイス材料学専攻Figure 1: In entangled systems, the information is encoded globally.Our goal is to find ways to extract some of that informationin a minimally-disturbing way, so that some entanglement is lefteven after the measurement is performed.