2016 Fiscal Year Annual Research Report
ファイバ入射パルス波形の最適化制御による波長間エンタングルメントの大規模任意形成
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16J03900
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
保坂 有杜 慶應義塾大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子光学 / スクイズド光 / 光ファイバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フェムト秒光パルスが非線形光学効果を受けながら光ファイバを伝播することで周波数モード間に形成される量子相関を解析するための理論の構築及び数値解析を行う。この理論的研究によってフェムト秒パルスが光ファイバ内を伝搬する際の多体的な量子論的ダイナミクスを明らかにする。次に、数値解析によって得られた量子論的ダイナミクスを実際の実験において実証する。実証から得られたデータからフェムト秒パルスのファイバ非線形伝搬によって得られる量子論的特性が量子計算へと応用可能であることを確認する。さらに、入射フェムト秒レーザパルスの周波数位相を波形整形器によってアダプティブに制御することで、このダイナミクスの制御を行い、所望の量子状態を周波数域において並行的に得られることを数値モデル計算と実験の両面から実証していく。本研究においては主に「任意の２波長間におけるエンタングルメント増強」「２者間エンタングルメントの大量並行生成」「クラスター状態の生成」の３通りの量子状態の生成を行う。この３つの種類の量子状態は量子計算のソースとなる主要な状態であり、これらの量子状態生成実験を実証することができれば、このスキームが汎用性量子計算機に有用であることになる。エンタングルメント並列生成数やエンタングルメントレベル、クラスター状態のモード数の限界値を実験から推定できるデータを得ることで、このスキームによって実現可能となる量子計算機の性能を評価する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はファイバの光パルス非線形伝搬に関するマルチモードの量子理論の発展及び原理実証実験を行い、ほぼ計画通りの研究成果を得ることができた。理論研究においては、量子非線形シュレディンガー方程式を用いることで、ファイバ伝搬中に光パルスの周波数成分間に形成される量子論的な相関を共分散行列として計算し、これをウィリアムソンの定理を用いることで可分な量子状態に分離する手法を提案した。この理論に基づく数値解析の結果、100モード程度のスクイズド光の一括並行生成がファイバの非線形伝搬により可能であることが判明した。
さらに、この理論を実験に適用し、フェムト秒パルスがフォトニック結晶ファイバ内を伝搬することで生成される超広帯域光の周波数成分間の量子相関を解析し、光子数スクイズド光を10モード程度並列的に得ることに成功した。スクイズド光の並行生成数は周波数測定における周波数分解能によって制限されており、分可能を向上することで更なる多モードスクイズド光の一括生成が可能である。
また、フォトニック結晶ファイバへ結合するフェムト秒パルスを更に高強度にすることによってスーパーコンティニウム光を得ることができる。このスーパーコンティニウム光においても周波数間の量子相関を適切に解析することによって、その強度ノイズが量子限界以下まで圧搾された光子数スクイズド光パルスを得ることに成功した。この実験の手法と結果は最終目標である周波数間の量子相関制御を達成するための必須技術であり、初年度においてこれを確立できた意義は大きい。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は更なる実験精度の向上のため、46ピクセルのフォトダイオードアレイを用いた周波数間量子相関取得実験を行う。光量子計算機における周波数多重化において、周波数分解能の向上は量子計算の性能に直結するため、より多くのモードの量子状態を並列に測定する必要がある。そのため、フォトダイオードアレイを用いることで周波数多重化された多体量子系に対する量子測定の周波数分解能の向上を図り、大規模な量子状態の解析を目指す。
この大規模量子測定システムを構築した上で、光子数スクイズド光計測の際は不可能であった位相計測を可能とするために真空スクイズド光の大規模並行生成を行う。また振幅―位相の量子ノイズ計測のためにフォトダイオードアレイと空間液晶変調器をコンピュータ制御により同期し、全自動で共分散行列を取得するためのシステムを構築する。
さらに、周波数モードの制御性を確認するための実験的実証に取り掛かる。構築した理論に基づく数値解析からフォトニック結晶ファイバによる量子状態制御が優れていることが判明したため、これを用いた実験を行う。フォトニック結晶ファイバに入射するパルスの波形を最適化制御によりアダプティブに変化させることで、所望の量子状態を得るための波形を実験的に求める。この際、波形整形器を用いた最適化制御ループと光路の安定化のためのフィードバック系を構築する必要がある。この実験によって得られた量子状態をフォトダイオードアレイを用いた共分散行列取得システムを用いて評価する。
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