2017 Fiscal Year Research-status Report
物質間の自発的量子もつれ生成へ向けた幾何学的量子光学の創成
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16K13818
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
小坂 英男 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20361199)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 量子もつれ / 光子 / 電子 / 核子 / 幾何学量子 / 量子操作 / 縮退スピン / キュービット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では特に縮退した二準位に着目し、これを論理量子として幾何学的量子操作を行う幾何学的量子光学と呼ぶ学問領域を開拓することを目的とした。
本年度は、光波およびマイクロ波による電子スピン縮退論理キュービットの幾何学的量子操作を行った。電子スピン縮退論理キュービットを光学励起状態の|A2>準位を補助準位として光波により幾何学操作を行った。まずは、|A2>準位に共鳴する光波を約100ns照射することで、その偏光に直交した量子状態に初期化した。次に、任意の偏光をもつ自然放出寿命（約10ns）以下の光波の２πパルスを照射することで幾何学的量子操作を行った。この際、光波の偏光で回転軸を設定し、前半と後半のπパルスの位相差で回転角を決める任意軸かつ任意角の単一量子回転を可能とした。さらに、光波の任意の偏光で射影読み出しを行うことも可能である。
また、同様の操作をマイクロ波でも偏光自由度を利用して可能とした。この場合には、スピン基底状態の|０>準位を補助準位として利用した。|０>準位への初期化は５３２nmのグリーンレーザで可能とした。任意の偏光をもつマイクロ波のπパルスを照射することで、電子スピンの縮退論理キュービットを任意の量子状態に初期化した。次に、任意の偏光をもつマイクロ波の２πパルスを照射することで幾何学的量子操作を行った。この際、マイクロ波の偏光で回転軸を設定し、前半と後半のπパルスの位相差で回転角を決める任意軸かつ任意角の単一量子回転を可能とした。マイクロ波の任意の偏光で射影読み出しを行うことも光波と同様に可能とした。
さらに、電子スピンだけでなく、核スピンもラジオ波共鳴によって幾何学操作を行った。この場合にも、ラジオ波の偏光自由度を用いた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度目標とした光波およびマイクロ波による電子スピン縮退論理キュービットの幾何学的量子操作に留まらず、電子スピンと核スピンのマイクロ波偏光によるホロノミック量子もつれ操作を行い、ホロノミック量子の万能性（universality）を示すことに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は、光子を媒介とした複数核スピン間の自発的量子もつれ生成を行う。電子軌道・電子スピン・核スピンにそれぞれ共鳴する光波・マイクロ波・ラジオ波を同時照射することにより、多重散乱の効果で電子軌道・電子スピン・核スピンのコヒーレンス連鎖が起こると考えられる。まずは、電子、核子共に|０>状態に初期化する。コヒーレントなラジオ波とマイクロ波により、電子と核子のスピンは超微細相互作用の力で量子もつれ状態になる。またコヒーレントな光波により、電子の軌道とスピンもスピン軌道相互作用の力で量子もつれ状態になる。さらにこれらを同時照射することにより、ラジオ波、マイクロ波、光波のコヒーレンス連鎖が起こり、核スピンは電子を介して光波のコヒーレンスを受け取ることになる。核子が複数存在する系においては、それぞれの核子に対応するラジオ波とマイクロ波、そして共通の光波を同時照射することにより、光子を媒介とした複数核スピン間の自発的量子もつれ生成が可能と考える。
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| Causes of Carryover |
最終年度の目標が挑戦的であるため相当の物品費が見込まれることを想定し、物品費等を切り詰めた結果、次年度使用額が大幅となった。次年度達成を目標としている「光子を媒介とした複数核スピン間の自発的量子もつれ生成」へ向け、実験に不足している光学部品、マイクロ波・ラジオ波等の電気部品を重点する計画である。
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