2018 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 – 2020-03-31
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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 |
本研究の目的は、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である。物質量子の例として固体中の電子スピンと核スピンを用い、光波からラジオ波に渡る超広帯域電磁場のコヒーレントな励起で核スピン間の自発的な量子もつれの生成に挑戦する。自発的もつれ光子対生成に縮退系を用いるのは常識であるが、物質間のもつれ生成に縮退系を用いるという概念はなく、新概念の創成につながる。極めて遠方の単一スピンと量子もつれを形成する縮退量子の特性を生かし、超高感度量子センサーの可能性も探る。
また本研究のねらいは、超広帯域のコヒーレントな電磁波を用いた物質の様々な自由度のコヒーレント励起により、通常は不可能な縮退した論理量子を幾何学的に制御することである。光子と物質の様々な量子の幾何学的な量子状態を、物質に内在する量子もつれの力とデジタルコヒーレント制御技術の協力で一括して自由自在に制御することを目標とする。
提案時当初の研究計画・方法に従い、平成28年度は計画通りに縮退した幾何学的量子構造の構築と直交偏光アップコンバージョン法の構築を行い、平成29年度も計画通りに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。
最終年度となる平成30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予定であったが、本実験で必須条件となるダイヤモンドNV中心の歪み量の低減に予想以上に時間を要し、実験計画に大幅の遅延が発生した。今後、歪み量増大の原因を速やかに究明し、延長期間内に最終目標であ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を行う予定である。
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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
提案書に示した当初の年度毎の達成目標は以下のように設定した。
1.１５桁に渡る超広帯域のコヒーレントな電磁波の波形・位相・周波数・偏光を自在に制御する技術の開発を行い、
2. さらにこの技術を用いた電子スピンあるいは核スピンのアダプティブなデジタルコヒーレント量子操作を行う。
3. 最終的には、超広帯域コヒーレント光を媒介とした物質スピン間の自発的な量子もつれの形成に挑戦する。
上記１および２について完了している。特に、本研究課題を支える主要技術である幾何学的量子操作（ホロノミック量子操作）について、マイクロ波および光波を用いる両手法についてそれぞれ任意偏光による万能なホロノミック量子操作の手法を独自に開発、実験により実証し、Nature Communications、Nature Photonics、Optics Lettersに掲載した。さらに、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）を示すとともに、ノイズ耐性のある万能量子コンピュータの開発に貢献した意義は大きい。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる平成30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予定であったが、本実験で必須条件となるダイヤモンドNV中心の歪み量の低減に予想以上に時間を要し、実験計画に大幅の遅延が発生した。今後、歪み量増大の原因を速やかに究明し、延長期間内に最終目標であ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を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
最終年度となる平成30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予定であったが、本実験で必須条件となるダイヤモンドNV中心の歪み量の低減に予想以上に時間を要し、実験計画に大幅の遅延が発生した。今後、歪み量増大の原因を速やかに究明し、延長期間内に最終目標であ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を行う予定である。このため、補助授業期間の延長を申請した。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の実験に必要な光学部品、電子部品等を購入する予定である。
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