モノサイクル量子もつれ光の実現と新しい時間領域トモグラフィ法による検証

• Project/Area Number: 11J00744
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 田中 陽 大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2011 – 2013
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2013)
• Budget Amount: ¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000); Fiscal Year 2013: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2012: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000); Fiscal Year 2011: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 量子光学 / 非線形光学 / 量子情報 / 量子もつれ / 量子測定 / もつれ光子対 / 擬似位相整合素子 / 二光子波導関数

Research Abstract

本研究の目的は量子力学的もつれを利用した高い同時性をもつ光子対の発生である。当該年度では前年度実施されたチャープ擬似位相整合素子を用いた超広帯域光子対の量子もつれを評価すべく、1. 超広帯域周波数相関の直接測定、及び2. 二色量子干渉を用いた周波数量子もつれの特性評価、の二点について主体的に実験的研究を実施した。また量子計測科学への応用に向け、超伝導単一光子検出器の評価及び量子OCTの実現に関する2編の論文が共著者として出版された(Jpn. J. Appl. Phys. 52, 102801 (2013), Phys. Rev. A88, 043845 (2013))。
1. 前年度実施された光子対の周波数相関測定を継続し、モノサイクル時間もつれが可能である光子対に対して相関測定を実施した。その結果、相関幅が192THzである世界最大の周波数相関幅測定に世界に先駆けて成功した。実験では光電子増倍管(浜松ホトニクスとの共同研究)とSiアヴァランシェフォトダイオードを用い、二光子波動関数の周波数領域の情報(絶対値の自乗)を読み出す事に成功した。
2. 1.と同様の広帯域光子対を発生させ、二色の周波数フィルターを有するHong-Ou-Mandel干渉計で二色の光子対の量子もつれを評価した。フィルターの透過周波数差が最大177THzまでの5通りの二色量子状態につき、最大もつれ状態との忠実度が全て古典限界の70%を破る89%以上という結果を得た。干渉計の位相雑音の評価により、フィルタリング前の超広帯域光子対は高い純粋状態である事が予測される。これは時間領域でも純粋状態である事を意味し、実験に用いたチャープ素子でモノサイクル量子もつれ状態が可能である直接の証拠となる。
また光子対の和周波発生については、引き続き修士の学生に理論面で詳細な議論を行い実験を担当してもらった。光子対のモノサイクル化に向け、プリズムペアを用いた分散補償系を導入し、非チャープ素子の光子対の和周波発生効率が9倍増加した。これは二光子波動関数の時間領域操作に相当し、今後の時間領域二光子エンジニアリングに道を開くものと期待される。

Strategy for Future Research Activity

(抄録なし)

Research Products

• [Journal Article] Investigations on the Performance of a Ultra-low Dark Count Superconducting Nanowire Single Photon Detector (2013)
  • Author(s): Shanthi Subashchandran, Ryo Okamoto, Labao Zhang, Akira Tanaka, Masayuki Okano, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 52 Issue: 10R Pages: 102801-102801
  • DOI: 10.7567/jjap.52.102801
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dispersion cancellation in high-resolution two-photon interference (2013)
  • Author(s): Masayuki Okano, Ryo Okamoto, Akira Tanaka, Shutaro Ishida, Norihiko Nishizawa and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 88 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physreva.88.043845
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectral properties of ultra-broadband entangled photons generated from chirped-MgSLT crystal towards monocycle entanglement generation (2013)
  • Author(s): Akira Tanaka, Ryo Okamoto, Hwan Hong Lim, Shanthi Subashchandran, Masayuki Okano, Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, Toru Hirohata, Sunao Kurimura and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 8635 Pages: 86350X-86350X
  • DOI: 10.1117/12.2003390
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Noncollinear parametric fluorescence by chirped quasi-phase matching for monocycle temporal entanglement (2012)
  • Author(s): Akira Tanaka, Ryo Okamoto, Hwan Hong Lim, Shanthi Subashchandran, Masayuki Okano, Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, Toru Hirohata, Sunao Kurimura, and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 20 Issue: 23 Pages: 25228-25238
  • DOI: 10.1364/oe.20.025228
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Generation of broadband spontaneous parametric fluorescence using multiple bulk nonlinear crystals (2012)
  • Author(s): Masayuki Okano, Ryo Okamoto, Akira Tanaka, Shanthi Subashchandran, and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 20 Issue: 13 Pages: 13977-13987
  • DOI: 10.1364/oe.20.013977
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Coupling of ultrathin tapered fibers with high-Q microsphere resonators at cryogenic temperatures and observation of phase-shift transition from undercoupling to overcoupling (2012)
  • Author(s): Masazumi Fujiwara, Tetsuya Noda, Akira Tanaka, Kiyota Toubaru, Hong-Quan Zhao, and Shigeki Takeuchi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 20 Issue: 17 Pages: 19545-19553
  • DOI: 10.1364/oe.20.019545
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 新しい光量子科学-モノサイクル量子もつれ光の実現に向けて (2012)
  • Author(s): 竹内繁樹、岡本亮、岡野真之、Subashchandran Shanthi, 田中陽
  • Journal Title: 月刊オプトロニクス Volume: 31 Pages: 121-125
• [Presentation] 二色量子干渉による超広帯域エネルギー量子もつれ光子対検出 (2014)
  • Author(s): 田中陽、岡本亮、Hwan Hong Lim、岡野真之、江藤祐、Shanthi Subashchandran、栗村直、Labao Zhang、Lin Kang、Jian Chen、Peiheng Wu、廣畑徹、竹内繁樹
  • Organizer: 基礎物理学研究所 研究会「量子情報の新展開」New Horizon in Quantum Information Science-複雑性の極限における普遍的物理の探究-
  • Place of Presentation: 京都大学基礎物理学研究所湯川記念館パナソニック国際交流ホール(京都府京都市)
• [Presentation] Direct Observation of 150 THz-Frequency Correlation of Photon Pairs Generated from Chirped Quasi-Phase Matched Crystal (2013)
  • Author(s): Akira Tanaka, Ryo Okamoto, Hwan Hong Lim, Shanthi Subashchandran, Masayuki Okano, Yu Eto, Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, Toru Hirohata, Sunao Kurimura, and Shiaeki Takeuchi
  • Organizer: The international workshop on new science and technologies using entangled photons (NSTEP) 2013
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス銀杏会館(大阪府吹田市)
• [Presentation] Broadband Frequency Correlated Photon Pairs Using a Chirped-QPM Device (2013)
  • Author(s): Akira Tanaka, Ryo Okamoto, Hwan Hong Lim, Shanthi Subashchandran, Masayuki Okano, Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, Toru Hirohata, Sunao Kurimura, and Shigeki Takeuchi
  • Organizer: CLEO-PR & OECC/PS 2013
  • Place of Presentation: 京都国際会館 (京都府京都市)
• [Presentation] 近赤外波長帯における超広帯域周波数相関光子対の実現と観測I (2013)
  • Author(s): 田中腸、岡本亮、Hwan Hong Lim、岡野真之、江藤祐、Shanthi Subashchandran、栗村直、Labao Zhang、Lin Kang、Jian Chen、Peiheng Wu、廣畑徹、竹内繁樹
  • Organizer: 第28回量子情報技術研究会(QIT28)
  • Place of Presentation: 北海道大学札幌キャンパス(北海道札幌市)
• [Presentation] チャープPPSLT素子から発生する広帯域パラメトリック蛍光対の周波数相関測定II (2013)
  • Author(s): 田中賜、岡本亮、Hwan Hong Lim、岡野真之、Shanthi Subashchandran、江藤祐、Labao Zhang、Lin Kang、Jian Chen、Peiheng Wu、廣畑徹、栗村直、竹内繁樹
  • Organizer: 日本物理学会2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学常盤台キャンパス(神奈川県横浜市)
• [Presentation] Spectral properties of ultra-broadband entangled photons generated from chirped-MgSLT crystal towards monocycle entanglement generation (2013)
  • Author(s): A. Tanaka, R. Okamoto, H.H. Lim, S. Subashchandran, M. Okano, L. Zhang, L. Kang, J. Chen, P. Wu, T. Hirohata, S. Kurimura and S. Takeuchi
  • Organizer: SPIE Photonics West OPTO 2013
  • Place of Presentation: The Moscone Center, USA
• [Presentation] Ultra-broadband correlated photon spectroscopy towards realization of mono-cycle photonic entanglement (2013)
  • Author(s): A. Tanaka, R. Okamoto, H.H. Lim, S. Subashchandran, Y. Eto, M. Okano, L. Zhang, L. Kang, J. Chen, P. Wu, T. Hirohata, S. Kurimura and S. Takeuchi
  • Organizer: The 16th SANKEN International Symposium 2013
  • Place of Presentation: 大阪大学
• [Presentation] Realization of ultra-broadband entangled photons and application to quantum sensing (2012)
  • Author(s): S.Takeuchi, R.Okamoto, M.Okano, A.Tanaka, S.Subashchandran, S.Kurumura, N.Nishizawa
  • Organizer: LASE SPIE Photonics west
  • Place of Presentation: The Moscone Center San Francisco, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-25
• [Presentation] Spectral dependence of ultra-low dark count Superconducting single photon detector for the evaluation of broadband parametric fluorescence (2012)
  • Author(s): S.Subashchandran, R.Okamoto, A.Tanaka, M.Okano, L.Zhang, L.Kang, J.Chen, P.Wu, S.Takeuchi
  • Organizer: LASE SPIE Photonics west
  • Place of Presentation: The Moscone Center San Francisco, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-24
• [Presentation] Single-shot broadband photon spectroscopy of parametric fluorescence generated from chirped MgSLT crystal towards realization of mono-cycle photonic entanglement (2012)
  • Author(s): A.Tanaka, R.Okamoto, H.H.Lim, S.Subashchandran, M.Okano, S.Kurimura, L.Zhang, L.Kang, J.Chen, P.Wu, T.Hirohata, S.Takeuchi
  • Organizer: The 15th SANKEN International Symposium 2012/The 10th SANKEN Nanotechnology Symposium
  • Place of Presentation: 大阪大学吹田キャンパス、大阪
  • Year and Date: 2012-01-12
• [Presentation] Realization of ultra-broadband entangled photons and application to quantum sensing (2012)
  • Author(s): S. Takeuchi, R. Okamoto, M. Okano, A. Tanaka, S. Subashchandran, S. Kurimura, N. Nishizawa, J. Chen, P. Wu and T. Hirohata
  • Organizer: Quantum2012
  • Place of Presentation: Metrologica Conference Hall, Itaty(招待講演)
• [Presentation] Realization of ultra-broadband entangled photons and application to quantum sensing (2012)
  • Author(s): S. Takeuchi, R. Okamoto, M. Okano, A. Tanaka, S. Subashchandran, S. Kurimura, N. Nishizawa, J. Chen, P. Wu and T. Hirohata
  • Organizer: 21th International Laser Physics Workshop
  • Place of Presentation: University of Calgary, Canada(招待講演)
• [Presentation] Efficient coupling of ultrathin tapered fibers with nanoemitters and microsphere resonators (2012)
  • Author(s): M. Fujiwara, T. Noda, A. Tanaka, K. Toubaru, H.Q. Zhao and S. Takeuchi
  • Organizer: photon 12 : Institute of Physics'premier event in optics and photonics
  • Place of Presentation: Durham University(招待講演)
• [Presentation] Dispersion-tolerant quantum optical coherence tomography by broadband spontaneous parametric fluorescence (2012)
  • Author(s): M. Okano, R. Okamoto, A. Tanaka,S. Subashchandran, S. Ishida, N. Nishizawa and S. Takeuchi
  • Organizer: The 13th RIES-Hokudai International Symposium "律"[ritsu] joined with The 1st International Symposium of Nano-Macro Materials, Devices, and System Research Alliance Project
  • Place of Presentation: Chateraise Gateaux Kingdom Sapporo, Japan
• [Presentation] 量子光断層撮影に向けた二光子量子干渉信号幅の狭窄化と高次分散の影響 (2012)
  • Author(s): 岡野真之、岡本亮、田中陽、Shanthi Subashchandran、石田周太朗、西澤典彦、竹内繁樹
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
• [Presentation] チャープPPSLT素子から発生する広帯域パラメトリック蛍光対の周波数相関測定 (2012)
  • Author(s): 田中陽、岡本亮、H.H. Lim、岡野真之、S. Subashchandran、栗村直、L. Zhang、L. Kang、J. Chen、P. Wu、廣畑徹、竹内繁樹
  • Organizer: 日本物理学会2012年秋季大会
  • Place of Presentation: 横浜国立大学
• [Presentation] 広帯域パラメトリック蛍光対による量子光断層撮影の分散耐性実証実験 (2012)
  • Author(s): 岡野真之、岡本亮、田中陽、Shanthi Subashchandran、石田周太朗、西澤典彦、竹内繁樹
  • Organizer: 第27回量子情報技術研究会(QIT27)
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学
• [Presentation] 和周波発生によるパラメトリック蛍光対の時間相関幅測定に向けて (2012)
  • Author(s): 江藤祐、岡野真之、田中陽、Shanthi Subashchandran, 岡本亮、Hwan Hong Lim, 栗村直、竹内繁樹
  • Organizer: 第27回量子情報技術研究会(QIT27)
  • Place of Presentation: 慶應義塾大学
• [Presentation] 広帯域パラメトリック蛍光対の生成および量子光断層撮影への応用 (2011)
  • Author(s): 岡野真之、岡本亮、田中陽、Shanthi Subashchandran、石田周太朗、西澤典彦、竹内繁樹
  • Organizer: CREST「先端光源を駆使した光科学・光技術の融合展開」領域研究状況報告会
  • Place of Presentation: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ、北海道
  • Year and Date: 2011-11-21
• [Presentation] Solid-state photonic quantum phase gates by using fiber-microsphere cavity and diamond NV centers (2011)
  • Author(s): M.Fujiwara, T.Noda, K.Toubaru, A.Tanaka, H.Q Zhao, S.Takeuchi
  • Organizer: 電子研国際シンポジウム
  • Place of Presentation: シャトレーゼガトーキングダムサッポロ、北海道
  • Year and Date: 2011-11-21
• [Presentation] Ultra-low dark count Superconducting single photon detectors : Spectral dependence of detection efficiency (2011)
  • Author(s): S.Subashchandran, R.Okamoto, A.Tanaka, M.Okano, L.Zhang, L.Kang, J.Chen, P.Wu, S.Takeuchi
  • Organizer: 第25回量子情報技術研究会(QIT25)
  • Place of Presentation: 大阪大学豊中キャンパス、大阪
  • Year and Date: 2011-11-21
• [Presentation] 量子光断層撮影に向けた広帯域パラメトリック蛍光対による二光子量子干渉実験 (2011)
  • Author(s): 岡野真之、岡本亮、田中陽、S.Subashchandran,石田周太朗、西澤典彦、竹内繁樹
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス、富山
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] Development of superconducting nanowire single photon detection system for evaluation of ultra broadband parametric fluorescence (2011)
  • Author(s): S.Subashchandran, R.Okamoto, A.Tanaka, M.Okano, L.Zhang, L.Kang, J.Chen, P.Wu, S.Takeuchi
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス、富山
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] チャープPPSLT素子から発生する広帯域パラメトリック蛍光対の特性評価II (2011)
  • Author(s): 田中陽、岡本亮、Hwan Hong Lim, 岡野真之、Shanthi Subashchandran, 栗村直、Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, 廣畑徹、竹内繁樹
  • Organizer: 日本物理学会2011年秋季大会
  • Place of Presentation: 富山大学五福キャンパス、富山
  • Year and Date: 2011-09-23
• [Presentation] Generation of broadband spontaneous parametric fluorescence and its application to quantum optical coherence tomography (2011)
  • Author(s): M.Okano, R.Okamoto, A.Tanaka, S.Subashchandran, S.Ishida, N.Nishizawa, S.Takeuchi
  • Organizer: SPIE Optics+photonics 2011
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, USA
  • Year and Date: 2011-08-24
• [Presentation] Toward single photon optical nonlinearities for quantum information and quantum metrology (2011)
  • Author(s): S.Takeuchi, R.Okamoto, M.Fujiwara, H.Takashima, M.Okano, S.Subashchandran, A.Tanaka, K.Toubaru
  • Organizer: SPIE Optics+photonics 2011
  • Place of Presentation: San Diego Convention Center, USA(招待講演)
  • Year and Date: 2011-08-24
• [Presentation] 超広帯域二光子状態の周波数もつれ測定 (2011)
  • Author(s): 田中陽、岡本亮、Hwan Hong Lim, 岡野真之、Shanthi Subashchandran, 栗村直、竹内繁樹
  • Organizer: 量子情報処理プロジェクト夏期研修会2011
  • Place of Presentation: 京都大学吉田キャンパス、京都
  • Year and Date: 2011-08-14
• [Presentation] Solid-state photonic quantum phase gates by using fiber-microsphere cavity and diamond NV centers (2011)
  • Author(s): M.Fujiwara, H.Q.Zhao, A.Tanaka, H.Takashima, K.Toubaru, T.Noda, S.Takeuchi
  • Organizer: 20th International Laser Physics Workshop
  • Place of Presentation: Congress Center, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina(招待講演)
  • Year and Date: 2011-07-11
• [Presentation] Broadband spontaneous parametric fluorescence toward high-resolution quantum optical coherence tomography (2011)
  • Author(s): M.Okano, R.Okamoto, A.Tanaka, .Subashchandran, S.Ishida, N.Nishizawa, S.Takeuchi
  • Organizer: International Conference on Quantum Information (ICQI)
  • Place of Presentation: University of Ottawa, Canada
  • Year and Date: 2011-06-06
• [Presentation] Collinear Ultra-broadband Parametric Fluorescence Generated from 10%-chirped Quasi Phase Matched Device (2011)
  • Author(s): A.Tanaka, R.Okamoto, H.H.Lim, S.Subashchandran, M.Okano, S.Kurimura, S.Takeuchi
  • Organizer: CLEO Europe-EQEC2011
  • Place of Presentation: International Congress Centre, Munich, Germany
  • Year and Date: 2011-05-22
• [Presentation] チャープ疑似位相整合素子による広帯域パラメトリック蛍光対のスペクトル特性 (2011)
  • Author(s): 田中陽、岡本亮、Hwan Hong Lim、岡野真之、Shanthi Subashchandran、栗村直、竹内繁樹
  • Organizer: 第24回量子情報技術研究会(QIT24)
  • Place of Presentation: 東京工業大学岡山キャンパス、東京
  • Year and Date: 2011-05-12
• [Remarks]
  • URL: http://researchmap.jp/akira_tanaka_quantum/?lang=japanese
• [Remarks]
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/qip/index.html