単一分子結合ナノ光ファイバブラッグ共振器を用いた量子情報デバイスの開発

• Project/Area Number: 23K22426
• Project/Area Number (Other): 22H01155 (2022-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2022-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Chitose Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 高島 秀聡 公立千歳科学技術大学, 理工学部, 准教授 (00432162)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000); Fiscal Year 2025: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2024: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000)
• Keywords: 単一分子 / 量子光学 / 光ファイバ / ナノ光ファイバ / 単一光子源 / 時間領域差分法 / 分子 / 単一光子

Outline of Research at the Start

近年、光量子コンピューターや長距離量子暗号通信など、光子を用いた量子技術の実現に向け、コヒーレンスが良い単一の光子を発生する単一光子源の開発が注目されている。この実現をめざし、本研究では、単一分子と光ファイバを局所的に細くしたナノ光ファイバに共振器を組み込んだ共振器内蔵ナノ光ファイバとのハイブリッドデバイスを開発する。そして、極低温に冷却することでコヒーレンスの良い光子を発生する単一光子源の開発をめざす。

Outline of Annual Research Achievements

近年、光量子コンピューターや長距離量子暗号通信など、光子を用いた量子技術の実現に向け、単一の光子を発生する単一光子源や、スイッチング素子である量子位相ゲートなどの量子情報デバイスの開発が注目されている。これらの量子技術では、光子ひとつひとつを情報の担体とすることから、量子情報デバイスは、光子を伝送する単一モード光ファイバと00％の効率で結合していることが重要となる。このようなデバイスの実現に向け、本研究では、単一モード光ファイバを局所的に細くしたナノ光ファイバに、光共振器を組み込んだナノ光ファイバブラッグ共振器に、単一の光子を発生させる単一発光体を結合させたデバイスの開発に取り組むことを研究の目的とする。
2023年度は、研究代表者が京都大学から公立千歳科学技術大学へ独立准教授として異動することとなった。そのため、公立千歳科学技術大学においては、新たに研究室を立ち上げるため、光学定盤、計算用のワークステーション、レーザー、分光器、光学部品や薬品などの選定や設置を行った。その結果、当初の予定よりも研究が遅れることとなった。
京都大学とは引き続き共同研究を実施し、4族の不純物欠陥を含むナノダイヤモンドの開発などに取り組んだ。また、EUROPL2023において招待講演を行うためヨーロッパを訪問した際、ヨハネスケプラー大学リンツのAndreas W. Scehll教授と研究打ち合わせを行い、本研究テーマに関する国際共同研究を実施することとなった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

半導体をはじめとする重要な部品の供給に世界的な遅れが生じ、研究に必要な装置の納品が当初の予定よりも遅くなったため。また、想定よりも通信速度が遅くなり、シミュレーション用のコンピューターを動作させることができなかったことも研究が遅れた原因となった。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は研究室研究室立ち上げ作業のため計画通り研究を進めることが難しかった。今後は、当初の予定通り本研究において発光体としてターゲットとする有機分子を用いた単一光子源の開発に取り組む。また、単一分子を結合させるための共振器内蔵ナノ光ファイバを開発、単一分子と共振器内蔵ナノ光ファイバとのハイブリッドデバイスの開発をめざす。さらに、有機分子より高温で動作可能な発光体の開発にも取り組む。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ヨハネスケプラー大学リンツ(オーストリア)
• [Journal Article] Numerical analysis of the ultra-wide tunability of nanofiber Bragg cavities (2023)
  • Author(s): Takashima Hideaki、Schell Andreas W.、Takeuchi Shigeki
  • Journal Title: Optics Express Volume: 31 Issue: 9 Pages: 13566-13575
  • DOI: 10.1364/oe.483843
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact of the oxidation temperature on the density of single-photon sources formed at SiO2/SiC interface (2023)
  • Author(s): Kaneko Mitsuaki、Takashima Hideaki、Shimazaki Konosuke、Takeuchi Shigeki、Kimoto Tsunenobu
  • Journal Title: APL Materials Volume: 11 Issue: 9 Pages: 091121-091121
  • DOI: 10.1063/5.0162610
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Toward the realization of quantum optical sources using nanophotonics (2024)
  • Author(s): Hideaki Takashima
  • Organizer: Japan Germany Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cryogenic temperature evalution of nanodiamonds containing silicon-vacancy centers by Ion implantation (2024)
  • Author(s): K.Shimazaki, K.Suzuki, K.Sakamoto, Y.Okashiro, H.Abe, T. Ohshima, H.Takashima and S.Takeuchi
  • Organizer: International Symposium on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices
• [Presentation] ナノダイヤモンドへのイオン注入により作製したシリコン空孔中心内包ナノダイヤモンドの極低温評価 (2024)
  • Author(s): 嶋﨑幸之介、鈴木和樹、坂本健伍、岡城勇大、阿部浩之、大島武、高島秀聡、竹内繁樹
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Cryogenic temperature evalution of nanodiamonds containing silicon-vacancy centers by Ion implantation (2024)
  • Author(s): K.Shimazaki, K.Suzuki, K.Sakamoto, Y.Okashiro, H.Abe, T. Ohshima, H.Takashima and S.Takeuchi
  • Organizer: International Symposium on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 経路をファイバー化した非線形量子干渉計の実現 (2024)
  • Author(s): 山田悠介、向井佑、高島秀聡、岡本亮、竹内繁樹
  • Organizer: 2024年第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Nanophotonics for photonic quantum information technology (2023)
  • Author(s): Hideaki Takashima, Konosuke Shimazaki, Kazuki Suzuki, Toshiyuki Tashima, and Shigeki Takeuchi
  • Organizer: EUROPL2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ナノフォトニクスを利用した量子技術の実現に向けて (2023)
  • Author(s): 高島秀聡、嶋崎幸之介、鈴木和樹、田嶌俊之、竹内繁樹
  • Organizer: 日本科学振興協会 年次大会2023
• [Presentation] 共振器内蔵ナノ光ファイバの広帯域共鳴波長制御の解析 (2023)
  • Author(s): 高島秀聡，Andreas W. Schell，竹内繁樹
  • Organizer: Optics & Photonics Japan 2023
• [Presentation] Nanophotonics for photonic quantum technology (2023)
  • Author(s): 高島秀聡、嶋崎幸之助、鈴木和樹、田嶌俊之、竹内繁樹
  • Organizer: 物質・デバイス領域共同研究セミナー
• [Presentation] ナノダイヤモンド中へのイオン注入により作製したシリコン空孔中心の極低温評価 (2023)
  • Author(s): 嶋﨑幸之介、鈴木和樹、岡城勇大、高島秀聡、阿部浩之、大島武、竹内繁樹
  • Organizer: 第48回量子情報技術研究会（QIT48)
• [Presentation] アンチストークス励起による六方晶窒化ホウ素欠陥中心からの単一光子発生 (2023)
  • Author(s): 岡城勇大、嶋崎幸之介、鈴木和樹、高島秀聡、A. Igor、竹内繁樹
  • Organizer: 第48回量子情報技術研究会（QIT48)
• [Presentation] Density control of single-photon sources formed at a SiO2/SiC interface (2023)
  • Author(s): M.Kaneko, H.Takashima, S.Takeuchi and T Kimoto
  • Organizer: Int. Conf. on Silicon Carbide and Related Materials 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nanophotonics for quantum information and quantum sensing (2022)
  • Author(s): Hideaki Takashima, Atsushi Fukuda, Hiroki Kawaguchi, Kazuki Fukushige, Konosuke Shimazaki, Toshiyuki Tashima, and Shigeki Takeuchi
  • Organizer: The 20th international symposium on the physics of semiconductors and applications (ISPSA2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 六方晶窒化ホウ素欠陥中心の単一光子源応用 (2022)
  • Author(s): 髙島秀聡、田嶌俊之、Schell W. Andreas、Tran T. Toan、Aharonovich Igor、竹内 繁樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] イオン注入法による単一シリコン欠陥中心内包ナノダイヤモンドの作製 (2022)
  • Author(s): 鈴木 和樹、嶋﨑 幸之介、高島 秀聡、阿部 浩之、大島 武、竹内 繁樹
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 単一発光体を用いた連続適応量子状態推定の実現 (2022)
  • Author(s): 井上 真奈人、野原 紗季、嶋﨑 幸之介、高島 秀聡、岡本 亮、Tran Toan Trong、Aharonovich Igor、藤原 彰夫、竹内 繁樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 長波長励起による六方晶窒化ホウ素単一欠陥中心からの単一光子発生 (2022)
  • Author(s): 岡城 勇大、嶋崎 幸之介、鈴木 和樹、高島 秀聡、Aharonovich Igor、竹内 繁樹
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] イオン注入法を用いた極微ナノダイヤモンドへの単一SiVセンターの作製 (2022)
  • Author(s): 鈴木和樹、嶋﨑幸之介、高島秀聡、阿部浩之、大島武、竹内繁樹
  • Organizer: 第46回量子情報技術研究会