超高Q値ボトル型光共振器によるフォトン-フォノン量子系

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 16H01054
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 山本 俊 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (10403130)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥23,660,000 (Direct Cost: ¥18,200,000、Indirect Cost: ¥5,460,000); Fiscal Year 2017: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2016: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
• Keywords: 量子情報 / オプトメカニクス / 量子通信 / 波長変換 / フォノン / 量子エレクトロニクス / 量子コンピューター / 量子光学 / 微小共振器

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では微小光共振器の機械振動(フォノン)とフォトンのハイブリッド量子科学を推進し、ハイブリッド量子科学に不可欠な量子操作の基礎となるフォトン-フォノン量子系の実現を目指す。中心となる相互作用はパラメトリック過程に代表される非線形光学効果やフォトン測定技術である。本研究課題におけるフォノンは、シリカガラスからなるボトル型微小光共振器の機械振動である。光に対する非常に高い光閉じ込め効果による輻射圧によって、フォノンが生成される。レーザー冷却の技術を用いて、フォノンの基底状態まで冷却できれば、フォトン-フォノン量子系を実際に観測することが可能となる。本年度はボトル型微小光共振器をより微小化するために作成方法を変更し、光ファイバー融着接続機を利用する新しいボトル型光共振器の作成を行った。従来はテーパーファイバー作成装置により行っていたために、微小化が難しく、歩留まりも非常に悪かった。新しい方法では、再現性もよく、計画的にボトル型微小共振器を作成することが可能になっている。これにより、これまで50 MHz程度であったフォノン振動数を160 MHz程度に高周波化することに成功した。さらに大気雰囲気下から高真空下にすることで、ダンピングの効果を抑制し、フォノンモードのQ値を向上させた。これにより、10の12乗を超えるfQ積を実現し、室温での量子オプトメカニクスの実現可能性を示すことができた。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Washington University(米国)
• [Journal Article] High-fidelity entanglement swapping and generation of three-qubit GHZ state using asynchronous telecom photon pair sources (2018)
  • Author(s): Yoshiaki Tsujimoto, Motoki Tanaka, Nobuo Iwasaki, Rikizo Ikuta, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Scientific reports Volume: 8 Issue: 1 Pages: 1446-1446
  • DOI: 10.1038/s41598-018-19738-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mach-Zehnder interferometer using frequency-domain beamsplitter (2017)
  • Author(s): Toshiki Kobayashi, Daisuke Yamazaki, Kenichiro Matsuki, Rikizo Ikuta, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 25 Issue: 10 Pages: 12052-12060
  • DOI: 10.1364/oe.25.012052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of optomechanical coupling in a microbottle resonator (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Yuki Takeuchi, Weijian Chen, Sahin Kaya Ozdemir, Rikizo Ikuta, Nobuyuki Imoto, Lan Yang and Takashi Yamamoto
  • Journal Title: Laser & Photonics Reviews Volume: 10 Issue: 4 Pages: 603-611
  • DOI: 10.1002/lpor.201500243
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Stimulated Brillouin scattering and Brillouin-coupled four-wave-mixing in a silica microbottle resonator (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Yuki Takeuchi, Sahin Kaya Ozdemir, Rikizo Ikuta, Lan Yang, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 24 Issue: 11 Pages: 12082-12092
  • DOI: 10.1364/oe.24.012082
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Visible light emission from a silica microbottle resonator by second- and third-harmonic generation (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Shoichi Komori, Rikizo Ikuta, Nobuyuki Imoto, Sahin Kaya Ozdemir, Takashi Yamamoto
  • Journal Title: Optics Letter Volume: 41 Issue: 24 Pages: 5793-5796
  • DOI: 10.1364/ol.41.005793
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Anomalous time delays and quantum weak measurements in optical micro-resonators (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Konstantin Y. Bliokh, Yury P. Bliokh, Abraham G. Kofman, Rikizo Ikuta, Takashi Yamamoto, Yuri S. Kivshar, Lan Yang, Nobuyuki Imoto, Sahin Kaya Ozdemir, Franco Nori
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 7 Issue: 1 Pages: 13488-13488
  • DOI: 10.1038/ncomms13488
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Controlling slow and fast light and dynamic pulse-splitting with tunable optical gain in a whispering-gallery-mode microcavity (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Sahin Kaya Ozdemir, Weijian Chen, Rikizo Ikuta, Lan Yang, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 108 Issue: 18 Pages: 181105-181105
  • DOI: 10.1063/1.4948922
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] モノリシック共振器型PPLN導波路による光周波数コム生成実験 (2018)
  • Author(s): 生田力三,浅野元紀,谷亮矢,山本俊,井元信之
  • Organizer: 第73回日本物理学会春季大会
• [Presentation] 40Ca+から通信波長帯への単一光子波長変換 (2018)
  • Author(s): 宮西 孝一郎, T. Walker, 生田力三, S. Kashani, 高橋優樹, 逵本吉朗, 早坂和弘, 山本俊, 井元信之, Matthias Keller
  • Organizer: 第73回日本物理学会春季大会
• [Presentation] 超伝導検出器を用いた量子情報処理 (2018)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 電子情報通信学会総合大会
  • Invited
• [Presentation] ボトル光共振器と電気機械共振器とのエバネッセント結合 (2018)
  • Author(s): 浅野 元紀、太田 竜一、山本 俊、岡本 創、山口 浩司
  • Organizer: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] An evanescently-coupled silica microbottle and GaAs electromechanical resonator (2018)
  • Author(s): Motoki Asano, Ryuichi Ohta, Takashi Yamamoto, Hajime Okamoto, Hiroshi Yamaguchi
  • Organizer: Frontiers of Circuit QED and Optomechanics(FCQO 2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Photon-Phonon system with a bottle microresonator (2017)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 文科省科研費新学術領域「ハイブリッド量子科学」第4回領域会議
  • Place of Presentation: 理研鈴木梅太郎ホール(埼玉県和光市)
  • Year and Date: 2017-02-28
• [Presentation] Controlling group delay with passive and active microresonators (2017)
  • Author(s): Takashi Yamamoto, Motoki Asano, Sahin Kaya Ozdemir
  • Organizer: SPIE Photonic West 2017
  • Place of Presentation: サンフランシスコ(USA)
  • Year and Date: 2017-01-31
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 真空環境下におけるボトル型微小光共振器の機械振動モードの評価 (2017)
  • Author(s): 山田雅貴, 浅野元紀, 生田力三, S. K. Ozdemir, 井元信之, 山本俊
  • Organizer: 新学術領域「ハイブリッド量子科学」第5回領域会議
• [Presentation] 真空環境下におけるボトル型微小光共振器の機械振動モードの評価 (2017)
  • Author(s): 山田雅貴, 浅野元紀, 生田力三, S. K. Ozdemir, 井元信之, 山本俊
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] モノリシック共振器型PPLN導波路を用いた光周波数コム生成実験 (2017)
  • Author(s): 谷亮矢,生田力三,浅野元紀,山本俊,井元信之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 波長866 nmから通信波長1530 nmへの波長変換実験 (2017)
  • Author(s): 宮西孝一郎, 逵本吉朗, 生田力三, 山本俊, 早坂和弘, 井元信之
  • Organizer: 第36回量子情報技術研究会
• [Presentation] ボトル型光共振器によるフォトン－フォノン量子系 (2017)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 新学術領域研究「ハイブリッド量子科学」第３回フォノン勉強会
  • Invited
• [Presentation] Stimulated Brillouisn scattering coupled four-wave mixing in a microbottle resonator (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Sahin Kaya Ozdemir, Rikizo Ikuta, Lan Yang, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • Organizer: IEEE Photonics Conference 2016
  • Place of Presentation: ハワイ(USA)
  • Year and Date: 2016-10-03
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ボトル型微小光共振器を用いた3次高調波発生の観測 (2016)
  • Author(s): 小守匠一，浅野元紀，Sahin Kaya Ozdemir，生田力三，Lan Yang，井元信之，山本俊
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-16
  • Invited
• [Presentation] ボトル型微小光共振器における機械振動子モードの高ｆQ積の実現 (2016)
  • Author(s): 浅野元紀，Weijian Chen，Sahin Kaya Ozdemir，生田力三，Lan Yang，井元信之，山本俊
  • Organizer: 第77回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 朱鷺メッセ（新潟県新潟市）
  • Year and Date: 2016-09-16
  • Invited
• [Presentation] 超高Ｑ値ボトル型光共振器によるフォトン－フォノン量子系 (2016)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 文科省科研費新学術領域「ハイブリッド量子科学」第3回領域会議
  • Place of Presentation: 東京理科大学神楽坂キャンパス森戸記念館(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2016-08-25
• [Presentation] Optomechanics at the exceptional points in microbottles: PT symmetry and beyond (2016)
  • Author(s): Motoki Asano, Masataka Yamada, Sahin Kaya Ozdemir, Rikizo Ikuta, Nobuyuki Imoto, Lan Yang, Takashi Yamamoto
  • Organizer: 文科省科研費新学術領域「ハイブリッド量子科学」第3回領域会議
  • Place of Presentation: 東京理科大学神楽坂キャンパス森戸記念館(東京都新宿区)
  • Year and Date: 2016-08-25
  • Invited