Large scale quantum information processing based on nonlinear optical interaction

• Project/Area Number: 18K13483
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Ikuta Rikizo 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90626475)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2018: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 量子情報 / 量子エレクトロニクス / 量子周波数コム / パラメトリック下方変換 / 周波数多重 / 導波路共振器 / 波長変換 / 光量子計算 / 量子通信 / 量子周波数変換 / 光子対生成 / 非線形光学

Outline of Final Research Achievements

As a light source development, we performed a frequency-multiplexed photon pair generation based on spontaneous parametric downconversion. By using a newly-developed singly-resonant cavity, we have succeeded in the bandwidth broadening, and have demonstrated frequency-multiplexed photon pair generation over 1000 modes. By adding polarization entanglement to this photon pairs, we generated a large-scale hyper entanglement. As another experiment by using a singly-resonant cavity, we have succeeded in enhancement of the optical frequency conversion efficiency without any bandwidth limitation. This frequency converter can be widely applied to the control of polarization state and hyper entanglement as well as the rotation operation on the frequency modes.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

古典的な多重化にとどまらず、周波数モード間にコヒーレンスをもつ量子周波数コムの大幅な広帯域化に成功した本研究成果は、光量子情報の大規模化に大きく貢献するものである。また、偏光と合わせることでハイパーエンタングルメントの生成にも成功しており、今後様々な応用が期待できる。帯域を制限しない光周波数変換の増強の実現により、状態生成のみならず状態制御の面でも貢献できたと考えている。本研究では、状態生成、制御ともに単共鳴光共振器を利用したが、この構成の共振器はこれまで研究事例が少ない。本デバイスは、どの周波数モードを共鳴・非共鳴にするかで大きく機能を変えることができ、学術的にも興味深い構造をしている。

Research Products

• [Journal Article] Frequency-Multiplexed Photon Pairs Over 1000 Modes from a Quadratic Nonlinear Optical Waveguide Resonator with a Singly Resonant Configuration (2019)
  • Author(s): Ikuta Rikizo、Tani Ryoya、Ishizaki Masahiro、Miki Shigehito、Yabuno Masahiro、Terai Hirotaka、Imoto Nobuyuki、Yamamoto Takashi
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 123 Issue: 19 Pages: 193603-193603
  • DOI: 10.1103/physrevlett.123.193603
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 周波数多重化された偏光エンタングル光子対の生成 (2019)
  • Author(s): 山崎友裕
  • Organizer: 第16回AMO討論会
• [Presentation] 量子光中継技術の概要と最新動向 (2019)
  • Author(s): 生田力三
  • Organizer: 2019年度第1回光材料・応用技術研究会
  • Invited
• [Presentation] 周波数多重化された偏光エンタングル光子対の生成 (2019)
  • Author(s): 山崎友裕
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第9回領域会議
• [Presentation] 単共鳴共振器型PPLN導波路による高効率光波長変換 (2019)
  • Author(s): 生田力三
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単共鳴共振器型PPLN導波路による偏光エンタングル光子対生成 (2019)
  • Author(s): 山崎友裕
  • Organizer: 2019年 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Frequency-multiplexed singly-resonant photon pairs from quadratic nonlinear optical waveguide resonator (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta
  • Organizer: Cleo/Europe-EQEC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frequency-multiplexed polarization-entangled photon pairs generated by cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion (2019)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki
  • Organizer: International School and Symposium on Nanoscale Transport and phoTonics 2019(ISNTT2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Frequency Multiplexing of Polarization-Entangled Photon Pairs without External Filtering (2019)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki
  • Organizer: International Symposium for Nano Science(ISNS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子状態を保持した単一光子波長変換に関する研究 (2019)
  • Author(s): 生田力三
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
  • Invited
• [Presentation] 単共鳴共振器型PPLN導波路による光子対生成 (2019)
  • Author(s): 生田力三, 谷亮矢, 石崎理裕, 三木茂人, 藪野正裕, 寺井弘高, 山本俊, 井元信之
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Frequency comb generation in a quadratic nonlinear waveguide resonator (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta
  • Organizer: SPIE Photonic West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PPLN導波路共振器による光周波数コム生成 (2019)
  • Author(s): 生田力三, 浅野元紀, 谷亮矢, 山本俊, 井元信之
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第8回領域会議
• [Presentation] Frequency comb generation by a PPLN waveguide resonator (2018)
  • Author(s): Rikizo Ikuta
  • Organizer: International Workshop on Hybrid Quantum Systems
• [Presentation] 偏光無依存型量子波長変換器による原子と通信波長光子間のエンタングルメント生成 (2018)
  • Author(s): 生田力三, 小林俊輝, 川上哲生, 三木茂人, 藪野正裕, 山下太郎, 寺井弘高, 小芦雅斗, 向井哲哉, 山本俊, 井元信之
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第7回領域会議
• [Presentation] Polarization insensitive frequency conversion for an atom-photon entanglement distribution via a telecom network (2018)
  • Author(s): 生田力三, 小林俊輝, 川上哲生, 三木茂人, 藪野正裕, 山下太郎, 寺井弘高, 小芦雅斗, 向井哲哉, 山本俊, 井元信之
  • Organizer: 第38回量子情報技術研究会 (QIT38)
• [Presentation] Polarization insensitive frequency conversion for an atom-photon entanglement distribution via a telecom network (2018)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Tetsuo Kawakami, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Masato Koashi, Tetsuya Mukai, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: Hybrid Approaches to Quantum-Information Processing
  • Int'l Joint Research