量子符号化通信のための量子受信機の物理的設計に関する研究

2008 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19740253
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 武岡 正裕 National Institute of Information and Communications Technology, 第一研究部門 新世代ネットワーク研究センター 量子ICTグループ, 主任研究員 (70415850)
• Keywords: 量子符号化 / 量子最適受信機 / コヒーレント光通信 / ホモダイン限界

Research Abstract

今年度は、初年度に提案した、2値位相変調コヒーレント信号に対する高効率光子検出器とコヒーレント局発光を用いた準最適量子受信機に関して詳細な数値計算を行い、さらに市販の光子検出器(アバランシェフォトダイオード)を用いた原理実証実験を行った。実験では、検出効率を補正した条件においてショット雑音限界(ホモダイン限界)を超える低誤り率を実現した。この結果、我々の提案する方式に最近開発の進んでいる超伝導光子検出器等の高効率な光子検出器を組み合わせることで、現在の技術でも十分にショット雑音限界を超えうるということを明らかにした。また理論的には、誤り率だけではなく、通信における符号化も考慮し、信頼性関数及びカットオフレートを用いた解析を行った。その結果、個別測定に関して、いくつかの重要な量子測定が同時に、最適条件を満たしていることを明らかにした。
このような、光子検出器に局発光を加えたコヒーレントな光子検出は、光量子情報処理においても有用である。特に、光のスクイズド状態と共に用いることで、平均光子数が2を超える巨視的なサイズのコヒーレント光の量子的な重ね合わせ状態を生成できることを理論的に明らかにした。これは連続光のスクイズド状態を用いた実験でよく確認され、現時点で進行波の重ね合わせとしては最大のサイズを達成した。巨視的なコヒーレント光の重ね合わせ状態の生成・制御は、量子力学の検証という基礎学問的な重要性が高いだけでなく、線形素子光量子計算や量子計測などの量子情報処理においても重要なリソースであることが理論的に明らかにされており、今後さらなる高精度で自在な制御の実現が期待される。

Research Products

• [Journal Article] Generation of large-amplitude coherent-state superposition via ancilla-assisted photon subtraction (2008)
  • Author(s): H. Takahashi
  • Journal Title: Physical Review Letters 101 Pages: 233605-1-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration of near-optimal discrimination of optical coherent states (2008)
  • Author(s): C. Wittmann
  • Journal Title: Physical Review Letters 101 Pages: 210501-1-4
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discrimination of the binary coherent signal : Gaussian-operation limit and simple non-Gaussian near-optimal receivers (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Journal Title: Physical Review A 78 Pages: 022320-1-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Temporally multiplexed superposition states of continuous variables (2008)
  • Author(s): M. Sasaki
  • Journal Title: Physical Review A 77 Pages: 063840-1-11
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-amplitude coherent-state superposition generated by a time-separated two-photon subtraction from a continuous-wave squeezed vacuum (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Journal Title: Physical Review A 77 Pages: 062315-1-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 連続量変数の光量子計算と量子情報通信 (2008)
  • Author(s): 武岡 正裕
  • Journal Title: 光学 37 Pages: 692--697
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Experimental implementation of near-optimal quantum measurements of optical coherent state (2009)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: DEX-SMI Workshop on Quantum Statistical Inference
  • Place of Presentation: NII, 東京
  • Year and Date: 2009-03-02
• [Presentation] Quantum receivers and quantum coding toward the quantum-limited performance in long-haul optical communications (2009)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: ICSOS 2009
  • Place of Presentation: 日本科学未来館、東京
  • Year and Date: 2009-02-05
• [Presentation] Discrimination of optical coherent states via near-optimal quantum receivers (2009)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: SPIE Photonics West
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2009-01-29
• [Presentation] 連続量ベル相関測定による量子もつれの推定 (2008)
  • Author(s): 北川晃 他
  • Organizer: 第18回量子情報技術研究会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 20080522-23
• [Presentation] Generation of optical Schrodinger cat-like states and classical-quantum channel coding (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: Workshop on topological cluster state computing in optics 2008
  • Place of Presentation: NII, 東京
  • Year and Date: 2008-12-11
• [Presentation] Practical near-optimal quantum receivers for the BPSK coherent signals (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: 2008 International symposium on physics of quantum technology
  • Place of Presentation: 奈良
  • Year and Date: 2008-11-25
• [Presentation] Implementation of quantum receivers for communication and sensing (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: 2008 xQIT conference : Difficult problems in quantum information theory
  • Place of Presentation: MIT, Cambridge, USA
  • Year and Date: 2008-11-19
• [Presentation] Near-optimal quantum receivers for the coherent state discrimination (2008)
  • Author(s): M. Takeoka
  • Organizer: QCMC 2008
  • Place of Presentation: Calgary, Canada
  • Year and Date: 2008-08-19
• [Presentation] 量子情報通信 : 研究の現状と展望 (2008)
  • Author(s): 武岡 正裕
  • Organizer: 文科省科研費補助金 特定領域研究「新世代光通信へのイノベーション」第2回量子情報ミニ研究会
  • Place of Presentation: 有馬
  • Year and Date: 2008-07-07
• [Presentation] Near-optimal quantum state discrimination of optical coherent states (2008)
  • Author(s): C. Wittmann
  • Organizer: QELS2008
  • Place of Presentation: San Jose, USA
  • Year and Date: 2008-05-04
• [Patent(Industrial Property Rights)] 量子干渉計測システム (2008)
  • Inventor(s): 武岡 正裕、佐々木 雅英、番 雅司
  • Industrial Property Rights Holder: 武岡 正裕、佐々木 雅英、番 雅司
  • Industrial Property Number: 特許第4235704号
  • Acquisition Date: 2008-12-26
• [Patent(Industrial Property Rights)] Quantum source coding apparatus and quantum information communication system (2008)
  • Inventor(s): M. Sasaki, Y. Mitsumori, A. Hasegawa, M. Takeoka, J. A. Vaccaro, S. M. Barnett, E. Andersson
  • Industrial Property Rights Holder: M. Sasaki, Y. Mitsumori, A. Hasegawa, M. Takeoka, J. A. Vaccaro, S. M. Barnett, E. Andersson
  • Industrial Property Number: USA Patent No. 7403713
  • Acquisition Date: 2008-07-22
  • Overseas