Hybrid quantum system with photons and phonons

• Project Area: Science of hybrid quantum systems
• Project/Area Number: 18H04291
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 山本 俊 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10403130)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥21,190,000 (Direct Cost: ¥16,300,000、Indirect Cost: ¥4,890,000); Fiscal Year 2019: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000); Fiscal Year 2018: ¥10,010,000 (Direct Cost: ¥7,700,000、Indirect Cost: ¥2,310,000)
• Keywords: 量子エレクトロニクス / オプトメカニクス / 量子通信 / 量子情報 / 量子光学 / フォノン / 波長変換 / 量子ネットワーク / 微小共振器

Outline of Annual Research Achievements

ボトル型微小光共振器で可能となるフォノンモードの高周波化の研究を行い、３０ＭＨｚ－１６０ＭＨｚの機械振動モードの微小光共振器の作成方法を確立していた。一方、共振器の微小化により実現した１１００ＭＨｚ超の機械振動モードに関しては、数値シミュレーションでの解析により再現が難しい状況であったが、その方法も確立し、論文として取りまとめられる状況になった。これにより、さらなる高周波化による高性能化の検討も可能になった。さらにfQ積が６×１０^１２を超えるボトル型微小光共振器も実現し、室温での量子オプトメカニクスの可能性も示すことができた。また、昨年度から実施しているCs冷却原子とのハイブリッド量子システムを目指した共同研究に注力して研究を行った。Cs冷却原子の共鳴波長は８５２ｎｍであり、この波長の単一光子とCs原子の内部状態の相互作用により光子と原子のエンタングルメントが生成される。他の物理系とのハイブリッド系のためには、この原子とエンタングルした光子の状態を壊すことなく波長を変換することが重要となる。特に通信波長帯(１５４０ｎｍ付近)への変換に注目して、このための量子波長変換器の構成として赤外の励起光により差周波発生を行い通信波長帯光子へ変換する実験を試みた。波長変換素子としては導波路型PPLNを用い変換効率を数１０％程度となるシステムを組み上げ、動作確認を行った。これにより、Cs冷却原子と他の物理系とのハイブリッド系への道筋をつけた。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] クアズルナタル大学(南アフリカ)
• [Int'l Joint Research] ペンシルベニア州立大学(米国)
• [Journal Article] Quantum Information Processing with Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (2019)
  • Author(s): YAMAMOTO Takashi
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics Volume: E102.C Issue: 3 Pages: 224-229
  • DOI: 10.1587/transele.2018SDI0002
  • NAID: 130007607069
  • ISSN: 0916-8524, 1745-1353
  • Year and Date: 2019-03-01
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [Journal Article] Timing Jitter Characterization of the SFQ Coincidence Circuit by Optically Time-Controlled Signals From SSPDs (2019)
  • Author(s): Miki Shigehito、Miyajima Shigeyuki、Yabuno Masahiro、Yamashita Taro、Yamamoto Takashi、Imoto Nobuyuki、Ikuta Rikizo、Kirkwood Robert A.、Hadfield Robert H.、Terai Hirotaka
  • Journal Title: IEEE Transactions on Applied Superconductivity Volume: 29 Issue: 5 Pages: 1-4
  • DOI: 10.1109/tasc.2019.2906258
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental time-reversed adaptive Bell measurement towards all-photonic quantum repeaters (2019)
  • Author(s): Hasegawa Yasushi、Ikuta Rikizo、Matsuda Nobuyuki、Tamaki Kiyoshi、Lo Hoi-Kwong、Yamamoto Takashi、Azuma Koji、Imoto Nobuyuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 10 Issue: 1 Pages: 378-378
  • DOI: 10.1038/s41467-018-08099-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Long-Distance Single Photon Transmission from a Trapped Ion via Quantum Frequency Conversion (2018)
  • Author(s): Walker Thomas、Miyanishi Koichiro、Ikuta Rikizo、Takahashi Hiroki、Vartabi Kashanian Samir、Tsujimoto Yoshiaki、Hayasaka Kazuhiro、Yamamoto Takashi、Imoto Nobuyuki、Keller Matthias
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 20 Pages: 203601-203601
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.203601
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An opto-electro-mechanical system based on evanescently-coupled optical microbottle and electromechanical resonator (2018)
  • Author(s): M. Asano, R. Ohta, T. Yamamoto, H. Okamoto, and H. Yamaguchi
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 112 Issue: 20 Pages: 201103-201103
  • DOI: 10.1063/1.5022115
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Active control of a plasmonic metamaterial for quantum state engineering (2018)
  • Author(s): Uriri S. A.、Tashima T.、Zhang X.、Asano M.、Bechu M.、G?ney D. ?.、Yamamoto T.、?zdemir ?. K.、Wegener M.、Tame M. S.
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 97 Issue: 5 Pages: 053810-053810
  • DOI: 10.1103/physreva.97.053810
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 量子インターネットとフォトニクス (2020)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: InterOpto 2020
  • Invited
• [Presentation] 光とフォノンのハイブリッド量子システム (2020)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第10回領域会議
• [Presentation] 原子-光子エンタングルメントの長寿命化のための研究 (2020)
  • Author(s): 石崎 理裕, 小林 俊輝, 生田 力三, 向井 哲哉, 井元 信之, 山本 俊
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第10回領域会議
• [Presentation] Optomechanical properties in a microbottle resonator (2019)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: Progress In Electromagnetics Research Symposium PIERS 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Frequency-multiplexed singly-resonant photon pairs from quadratic nonlinear optical waveguide resonator (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Ryoya Tani, Masahiro Ishizaki, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Hirotaka Terai, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • Organizer: Cleo/Europe-EQEC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental all-photonic quantum repeaters (2019)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: SPIE Optics + Photonics 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Polarization insensitive frequency conversion for a fiber-optic communication of an atom-photon entanglement (2019)
  • Author(s): Toshiki Kobayashi, Rikizo Ikuta, Tetsuo Kawakami, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Masato Koashi, Tetsuya Mukai, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: 19th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental time-reversed adaptive Bell measurement towards all-photonic quantum repeaters (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Yasushi Hasegawa, Nobuyuki Matsuda, Kiyoshi Tamaki, Hoi-Kwong Lo, Takashi Yamamoto, Koji Azuma, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: 19th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental time-reversed adaptive Bell measurement towards all-photonic quantum repeaters (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Yasushi Hasegawa, Nobuyuki Matsuda, Kiyoshi Tamaki, Hoi-Kwong Lo, Takashi Yamamoto, Koji Azuma, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: 9th International Conference on Quantum Cryptography (QCrypt 2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum repeaters with photons (2019)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: Okinawa School in Physics 2019: Coherent Quantum Dynamics (CQD 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Frequency-multiplexed polarization-entangled photon pairs generated by cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion (2019)
  • Author(s): Tomohiro Yamazaki, Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Hirotaka Terai, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • 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, Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Hirotaka Terai, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • Organizer: International Symposium for Nano Science(ISNS2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum Network with atoms and photons (2019)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: International Workshop for Young Researchers on the Future of Quantum Science and Technology (FQST2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Optomechanical properties in a microbottle resonator (2019)
  • 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: ハイブリッド量子科学第9回領域会議
• [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, 生田 力三, 小林 俊輝, 三木 茂人, 藪野 正裕, 寺井 弘高, 井元 信之, 山本 俊
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第9回領域会議
• [Presentation] 量子ネットワークの効率化を実現する全光量子中継の実証 (2019)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第9回領域会議
• [Presentation] 光による量子インターネットの進展 (2019)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Experimental all-photonic quantum repeater (2019)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 2019年 応用物理学会 量子情報グループ研究会
  • Invited
• [Presentation] Quantum network with photons and diverse media (2019)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: International Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Frequency comb generation by a PPLN waveguide resonator (2019)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Motoki Asano, Ryoya Tani, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: International Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • 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] Quantum network with photons, atoms, and optomechanics (2018)
  • Author(s): Takashi Yamamoto
  • Organizer: France-Japan Bilateral Workshop on Hybrid Quantum Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 光と量子ネットワーク (2018)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: 第3回フォトニクス分科会
  • Invited
• [Presentation] 光とフォノンのハイブリッド量子システム (2018)
  • Author(s): 山本俊
  • Organizer: ハイブリッド量子科学第7回領域会議
• [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