2017 Fiscal Year Research-status Report

量子もつれ光子対を利用した光計測技術の古典光学的実現

Research Project

Project/Area Number	16K17524
Research Institution	Hokkaido University
Principal Investigator	小川和久北海道大学, 情報科学研究科, 助教 (80772574)
Project Period (FY)	2016-04-01 – 2019-03-31
Keywords	量子もつれ光子対 / 時間反転対称性 / 量子光イメージング / Young干渉 / 集光ビームスポット / 回折限界
Outline of Annual Research Achievements	本年度は、「量子もつれ光子対を利用した光計測技術の古典光学的実現」の一つである「回折限界を超える2光子集光ビームスポット」の古典光学的実現の再実験、および「回折限界を超える2光子Young干渉」の古典光学的実現の実験を新たに行い、まとめて「時間反転法を用いた、位置-波数において量子的にもつれた光子対が示す量子光学干渉の古典光学的実現」と題して発表した。量子力学の時間反転対称性より、時間反転した光学系は元の光学系と同じ干渉パターンを示す。そして光子対生成を含む光学系の時間反転系は古典光学的に実現可能である。これらに基づき、我々は位置-波数において量子的にもつれた光子対が示す量子光学干渉である「2光子Young干渉」および「2光子集光ビームスポット」について、それらの光学系の時間反転した光学系を用いることで、それらの干渉パターンを古典光学的に再現する実験を行った。後者の実験は昨年度から始めていたが、今年度に入ってからは実験系の改良を行った。前者の実験は、2光子Young干渉が量子的にもつれた光子対が示す量子光学干渉として分かりやすく象徴的であるため、同じく時間反転系を用いた実験を新たに行った。その結果、量子光学系では到達できない出力パワーでそれぞれの干渉パターンを観測することに成功した。時間反転法はこれまでに時間-周波数もつれ光子対を用いた光学系には適用されてきたが、それ以外の自由度の量子もつれ光子対に対して適用した例はなかった。本研究は時間-周波数以外の自由度である位置-波数の自由度の量子もつれ光子対に対して時間反転法を適用した初めての実験である。この成果は、論文誌Physical Review Aにて出版された。また、国内会議としてQIT36で口頭発表、QMNH2018でポスター発表、国際会議としてICO24にて口頭発表を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 今年度実験完了し発表した研究は、研究計画提出時に想定していた3つの実験のうち1つであり、3年間中の2年目までかかってしまった点は遅れていると言わざるを得ない。理由としては計測精度向上のために一度実験系を再構築した点、また論文執筆に際して論文構成の議論に時間を要した点があげられる。さらに「今後の研究の推進方策」で述べるように、次の実験に進む前に時間反転系の光イメージングに対する有用性を議論する必要があり、あと1年で実験・発表を行うなら1つになると予想される。
Strategy for Future Research Activity	今後はこの結果を利用して量子光学イメージングを古典光学的に実現する応用実験を行うつもりであった。しかし、開口で挟まれたサンプルの線形イメージングのように分解能向上が望まれる実際的な状況考えると、古典光を用いても量子光を用いても分解能向上が見込まれないのではないかと予想するようになった。したがって計画を変更し、次の実験に進む前に時間反転系の光イメージングに対する有用性を議論する必要がある。具体的には、まず線形イメージングにおける原理的な分解能の限界を理論的に導出することを考える。この研究により、少なくとも線形イメージングの分解能に関しては量子光学的に取り扱うことの価値が明らかになると考えられる。
Causes of Carryover	生じた次年度使用額は132円と少額であるため、予算は使い切ったと言える。