2020 Fiscal Year Annual Research Report
光子の繰り返し発生と操作による決定論的光子数操作と量子計算
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19H01815
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
金田 文寛 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (80822478)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光子 / 量子計算 / 量子メモリ / 量子光学 / 量子情報 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、単一もしくは少数の伝令付き光子源のみから発生する光子を繰り返し利用・操作することで、高資源効率及び高精度の光量子状態 発生・操作，および量子計算を実現することである。
本年度は、まず、伝令付き単一光子の周波数における高純粋度達成を目的として、非線形光学結晶の分極反転変調技術の開発に取り組んだ。分極反転構造は、高純粋度のガウス型に近似されたスペクトル分布をもつ光子発生を狙って設計した。作製された結晶は、前年度に開発した、光子発生の逆過程を辿る分光技術をもって評価され、96%以上の周波数純粋度が得られることが明らかになった。また、評価に使用した分光技術は、量子光源の分光技術としては世界最高の分解能を達成しており、結晶の分極反転構造の誤りを高精度で検知可能になった。
次に、光子の繰り返し発生と保持に利用する長周期リング型メモリの開発に取り組んだ。想定しているリング長は30から100 m程度であるため、一般的な光学台上の自由空間光学系での実装は困難である。そこで、本研究ではリング内に光ファイバーを導入し、占有面積が小型化された長周期メモリの開発を行なった。開発されたプロトタイプメモリは、ファイバー長や空間光学系の調整により、リング長を伝令付き単一光子源の励起用レーザーの繰り返し周期の10倍である125 nsに一致させることができた。メモリ周期の精度（1ps程度）は使用する伝令付き単一光子のパルス幅よりも十分に小さく、多光子干渉や繰り返し伝令付き光子発生での利用に十分な精度である。また、前年度に判明した課題であった、メモリ内の光スイッチであるポッケルスセルの水冷により、1 MHz以上の高繰り返し動作が可能になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度の課題であった量子メモリ用のポッケルスセルの繰り返し動作の問題の解決や、新たな高純粋度伝令付き単一光子発生技術の開発には大きな進展があったものの、ポンプレーザー光源の安定化は、専用機器がCOVID-19の影響で入手困難になった関係もあり、実験を進めることができなかった。そのため、当初予定していたリング型メモリを用いた伝令付き単一光子の高精度な同期実験の遂行も不可能であった。
したがって、メモリ開発と伝令付き光子発生には予定していた以上の成果があったが、計画していた実験の一部が完了していないため、「やや遅れている」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、レーザーの繰り返し周波数の安定化を行い、伝令付き単一光子の同期や高効率多重化を実証する。そして量子計算の実証のためリング型メモリ内に干渉計が組み込まれた光学系を構築し、その動作試験を行う。また、並行してメモリの損失改善や伝令付き光子の純粋度改善にも取り組む。
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