Expanding the measurement range with phase super-sensitivity by NOON state interferometer

Research Project

Project/Area Number	21K04936
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	堀泰明国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 主任研究員 (50443221)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000) Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2021: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords	光子数もつれ / 自発的パラメトリック下方変換 / 直角位相干渉法 / 量子もつれ / 位相超感度干渉計
Outline of Research at the Start	本研究は、標準量子限界を超える位相感度(位相超感度)を有する光干渉計測法の範囲拡大を目的とする。光の量子状態の一つである「光子数もつれ状態(NOON状態)」を利用した位相超感度干渉法が既に報告されているが、その計測範囲が 2πのごく一部に限られることが問題であった。そこで、直角位相検出法とマイケルソン型光学系の導入によってこの範囲を原理上無制限に拡大する技術を提案する。本研究成果は、古典光で確立している干渉計測技術を押しなべて高精度化する可能性があり、重力波検出干渉計の感度向上、原子間力顕微鏡を上回る分解能とダイナミックレンジを備えた光学顕微鏡の実現など、将来技術の発展に大きく貢献できる。
Outline of Annual Research Achievements	本研究で必要となる量子もつれ光源の開発に取り組んだ。非線形光学結晶（BBO Type1）に紫外線半導体レーザを入射し、自発的パラメトリック下方変換（SPDC）による光子対の発生を試みた。フィルタによる波長弁別とアバランシェ検出器によるフォトンカウントを行い、SPDCによる光子対発生の確認に成功した。続いて光子対の重ね合わせによる量子もつれ状態の生成を試みたところ、量子もつれ光源光学系の光路長制御が追加で必要であることが分かった。そこで、SLD（λc=675 nm, Δλ=9.8 nm）を紫外線半導体レーザと同軸に導入し、低コヒーレンス干渉によって光学系の光路差を一致させて調整する手順の構築に取り組んだ。その際、光学系に時間遅延機構が追加で必要となるため、それに基づく再設計を実施した。本研究の比較対象となる古典光の直角位相干渉計について、その精度評価や誤差要因の低減に関する研究について雑誌論文1本を発行した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 再設計とそれに伴う物品調達を実施中であるが、世界的な供給網の停滞から光学素子や信号ケーブル類の納品に時間を要する状況にあり、想定していた進捗に至っていない。
Strategy for Future Research Activity	まずは光路長調整機構を追加した量子もつれ光源の開発を進める。納品が完了し次第、実験に取り組む予定である。その後、量子もつれ光源を変位干渉計に導入し、干渉信号のノイズ低減効果を調べる。