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周波数領域での大規模光量子計算の研究

Research Project

Project/Area Number 20J20261
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

山崎 友裕  大阪大学, 基礎工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords線形光学量子計算 / 周波数多重化 / 量子周波数コム / 光子 / 量子情報 / 量子計算 / 量子通信 / 周波数多重 / 線形光学 / 量子光学
Outline of Research at the Start

光子を用いた量子計算は、光子のどの自由度を用いるかによって多くのバリエーションがあり、偏光、経路、時間、周波数、軌道角運動量などの自由度が考えられる。特に、光子の周波数に量子情報をエンコードすることで、大量の量子情報を1つの光子にエンコードすることや、1つの光ファイバー上で多くの光子を並列に操作することが可能になる。本研究では、このような光子の周波数自由度を用いた量子計算の実現に向けて、非線形光学結晶導波路共振器を用いた量子状態の生成に関する実験や、周波数領域での量子計算における高効率化や並列化、誤り訂正理論に関する理論の構築を行う。

Outline of Annual Research Achievements

光子を用いた大規模な量子情報処理に向けて以下の研究を行った。
(1)これまで行ってきた周波数多重化偏光エンタングル光子対の生成と、それに波長分割多重(WDM)を組み合わせたエンタングルメント配送の研究成果を論文にまとめて出版した。(Sci Rep 12, 8964 (2022), Opt. Express 30, 36711-36716 (2022))。これによって、従来の方法と比べて、高効率かつ高多重度な周波数多重化エンタングルメント配送が実証された。
(2)単一光子周波数コムを量子ビットとして用いるエンコード方法をさらに理論的に拡張し、具体的な量子計算プロトコルを提案した。このプロトコルでは、状態生成器に加えて、時間分解検出器、ビームスプリッター、光インターリーバーというパッシブな素子のみを用いてユニバーサルな量子計算が可能であり、エラーが生じにくく比較的実装が容易なプロトコルであると考えられる。さらに、状態生成の具体的な実験セットアップを提案し、エラー率を抑えるために必要な実験パラメータを導出することで、現在の実験技術でほぼ到達可能な範囲にあることを示した。この内容を論文にまとめて出版した(arXiv:2301.03188,
accepted in Phys. Rev. Lett.)。
(3)光子を用いた量子情報処理に不可欠な線形光学回路を解析するための新たな理論手法を提案した。さらに、この理論手法に基づき、エンタングルしていない光子を補助的に用いた場合の線形光学回路によるベル測定について解析を行った。結果として、同様のセットアップで最大の成功確率を導出し、さらにその漸近的な振る舞いを解析的に導出した。これらを論文にまとめて、現在投稿中である(arXiv:2301.06551)。この理論手法によって、線形光学回路を用いた量子情報処理の可能性がさらに広がることが期待できる。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (4 results)

  • [Journal Article] Massive-mode polarization entangled biphoton frequency comb2022

    • Author(s)
      Yamazaki Tomohiro、Ikuta Rikizo、Kobayashi Toshiki、Miki Shigehito、China Fumihiro、Terai Hirotaka、Imoto Nobuyuki、Yamamoto Takashi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 8964-8964

    • DOI

      10.1038/s41598-022-12691-7

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Entanglement distribution using a biphoton frequency comb compatible with DWDM technology2022

    • Author(s)
      Fujimoto Rintaro、Yamazaki Tomohiro、Kobayashi Toshiki、Miki Shigehito、China Fumihiro、Terai Hirotaka、Ikuta Rikizo、Yamamoto Takashi
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 30 Issue: 20 Pages: 36711-36711

    • DOI

      10.1364/oe.469344

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Cavity-enhanced broadband photonic Rabi oscillation2021

    • Author(s)
      Ikuta Rikizo、Kobayashi Toshiki、Yamazaki Tomohiro、Imoto Nobuyuki、Yamamoto Takashi
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 103 Issue: 3 Pages: 033709-033709

    • DOI

      10.1103/physreva.103.033709

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] DWDM技術に適した共振器増強パラメトリック下方変換による偏光エンタングル光子対配送2023

    • Author(s)
      小林俊輝, 藤本 倫太朗, 山崎 友裕, 三木 茂人, 知名 史博, 寺井 弘高, 生田 力三, 山本 俊
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] スタビライザー形式に基づく線形光学回路の解析2022

    • Author(s)
      山崎友裕, 生田力三, 山本俊
    • Organizer
      2022年日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] スタビライザー形式に基づく線形光学回路の解析2021

    • Author(s)
      山崎友裕, 生田力三, 山本俊
    • Organizer
      第45回量子情報技術研究会(QIT45)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Massive-mode polarization entangled biphoton frequency comb2021

    • Author(s)
      Tomohiro Yamazaki, Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Shigehito Miki, Fumihiro China, Hirotaka Terai, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
    • Organizer
      21th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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