Entanglement between distant quantum memories via quantum frequency conversion

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16K17772
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 生田 力三 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90626475)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 量子エレクトロニクス / 量子情報 / 量子通信 / 波長変換 / エンタングルメント / 量子中継 / 量子メモリ / 冷却原子集団

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では、光ファイバー量子ネットワーク実現に向けて、長距離離れた量子メモリ間のエンタングル状態の生成を目標に研究を行った。昨年度、通信波長光子と量子メモリである冷却ルビジウム原子集団 (Rb) 間のエンタングルメントを偏光無依存型の単一光子波長変換器を用いて実現した。しかし波長変換後の状態の最大エンタングル状態に対する忠実度は69%であり十分高い値とは呼べないものであった。本年度、波長変換前後の相互相関関数を解析することにより、この低さの原因が波長変換の際の雑音混入と水平垂直偏光光子間の位相雑音に起因するものであることを突き止めた。適切な対策を施すことで、90%近い忠実度が見込めることが分かった。これらをまとめた論文の掲載が決まった。
実験では、2台目のRb量子メモリの立ち上げを行った。原子冷却条件の最適化を進めている最中である。並行して、非同期光源により発生させた通信波長エンタングル光子対間でエンタングルメントスワッピング実験を行い、84%の高い忠実度を得た。この技術は長距離離れた2者間で同期が容易でない場合の量子通信・中継に役立つ。本成果は論文掲載された。
偏光光子状態はそのままでは光ファイバー中の雑音に弱いが、信号光子と補助光子からなるデコヒーレンスフリー部分空間(DFS)を利用することで状態を保護できる。本年度、現実的な状況設定として、通信波長のエンタングル光子対と補助光子を独立な光源で準備してDFSの実験を行い、1kmの光ファイバー通信に成功した。本成果は学会で発表を行った。
本研究全体として、長距離離れた量子メモリ間のエンタングルメント形成に必要な要素技術を確立することができた。また、高い精度での実験実現に向けた理論解析を行い、将来的な改良についての道筋をつけることができた。2台目の量子メモリ構築の準備も順調に進めることができた。

Research Products

• [Journal Article] Polarization insensitive frequency conversion for an atom-photon entanglement distribution via a telecom network (2018)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Tetsuo Kawakami, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Masato Koashi, Tetsuya Mukai, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Nature Communications Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Long-distance single photon transmission from a trapped ion via quantum frequency conversion (2018)
  • Author(s): Thomas Walker, Koichiro Miyanishi, Rikizo Ikuta, Hiroki Takahashi, Samir Vartabi Kashanian, Yoshiaki Tsujimoto, Kazuhiro Hayasaka, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto, Matthias Keller
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: - Pages: -
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] High-fidelity entanglement swapping and generation of three-qubit GHZ state using asynchronous telecom photon pair sources (2018)
  • Author(s): Yoshiaki Tsujimoto, Motoki Tanaka, Nobuo Iwasaki, Rikizo Ikuta, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Scientific reports Volume: 8 Pages: 1446
  • DOI: 10.1038/s41598-018-19738-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mach-Zehnder interferometer using frequency-domain beamsplitter (2017)
  • Author(s): Toshiki Kobayashi, Daisuke Yamazaki, Kenichiro Matsuki, Rikizo Ikuta, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 25 Pages: 12052-12060
  • DOI: 10.1364/OE.25.012052
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High visibility Hong-Ou-Mandel interference via a time-resolved coincidence measurement (2017)
  • Author(s): Yoshiaki Tsujimoto, Yukihiro Sugiura, Motoki Tanaka, Rikizo Ikuta, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Mikio Fujiwara, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Masahide Sasaki, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Optics Express Volume: 25 Pages: 12069-12080
  • DOI: 10.1364/OE.25.012069
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Experimental demonstration of robust entanglement distribution over reciprocal noisy channels assisted by a counter-propagating classical reference light (2017)
  • Author(s): Rikizo Ikuta, Shota Nozaki, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Nobuyuki Imoto
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Pages: 4819
  • DOI: 10.1038/s41598-017-05008-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 40Ca+から通信波長帯への単一光子波長変換 (2018)
  • Author(s): 宮西 孝一郎, Tom Walker, 生田力三, Samir Vartabi Kashani, 高橋優樹, 逵本吉朗, 早坂和弘, 山本俊, 井元信之, Matthias Keller
  • Organizer: 第73回物理学会春季大会
• [Presentation] 冷却Rb原子集団と通信波長光子間のエンタングルメント実証 (2017)
  • Author(s): 川上哲生, 小林俊輝, 生田力三, 三木茂人, 山下太郎, 寺井弘高, 山本俊, 小芦雅斗, 向井哲哉, 井元信之
  • Organizer: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 冷却Rb原子集団と通信波長光子間のエンタングルメント実証 (2017)
  • Author(s): 川上哲生, 小林俊輝, 生田力三, 三木茂人, 山下太郎, 寺井弘高, 山本俊, 小芦雅斗, 向井哲哉, 井元信之
  • Organizer: 第72回物理学会秋季大会
• [Presentation] Faithful distribution of polarization entangled photon-pairs at telecom wavelength through optical fiber (2017)
  • Author(s): Koichiro Miyanishi, Yoshiaki Tsujimoto, Rikizo Ikuta, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto
  • Organizer: Interdisciplinary Symposium for Up-and-coming Material Scientists 2017 (ISUMS 2017)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 波長866 nmから通信波長1530 nmへの波長変換実験 (2017)
  • Author(s): 宮西孝一郎, 逵本吉朗, 生田力三, 山本俊, 早坂和弘, 井元信之
  • Organizer: 第36回量子情報技術研究会 (QIT36)