2020 Fiscal Year Annual Research Report
境界条件制御によって切り拓く量子ウォークの新たな応用
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20H01828
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岡本 亮 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10435951)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小布施 秀明 北海道大学, 工学研究院, 助教 (50415121)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 量子ウォーク / 量子光学 / 量子探索 / 量子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子ウォークの境界条件として、2次元系において並進対称性を持つヘリカル境界条件に着目、光子を用いた新しい時間発展プロトコルで実現する。これにより、新たな量子シミュレーションや、量子探索アルゴリズムの実装といった魅力的な応用が期待できる。令和2年度は、（１）花弁状の空間モードをもったビームの生成に関する研究、および（２）ヘリカル境界条件を課した場合の量子探索アルゴリズムに関する理論的な検討の２つの項目に関して研究を進めた。
項目１に関しては、本手法で必要となる花弁状の空間モードを持つ光の生成に関する検討を実施した。花弁状ビームの生成には、空間位相変調器を用いた。花弁状ビームの生成法としては、①計算機合成ホログラム（CGH）、②回折格子の二つの手法を検討した。まず、①について実施した。計算機上で、花弁状のパターンからCGH用の位相分布を生成、空間位相変調器上に投影した。照明光としては、波長780nmのレーザー光を用いた。ガウスビームを空間位相変調器に入射し、CGH像をCCDカメラで撮像した。その結果、花弁状ビームが生成できることを確認した。しかし、この手法だとビームにスペックルが表れるため、本研究には適さないことが分かった。そこで、次に上記②について実施した。空間位相変調器上に花弁状の回折格子パターンを与えた。一次回折光のみを分離して、CCDカメラで観察したところ、所望の花弁状のパターンが生成できていることを確認した。上記に加え、花弁状ビームの伝搬特性や、回転制御に関しても検討を進めた。
項目２に関しては、２内部自由度を持つ光子を用いた実験を想定した2次元量子ウォークにおいて、ヘリカル境界条件を課した場合の量子探索アルゴリズムの最適探索時間や成功確率のサイト数依存性を解析的・数値的に調べた。さらに、最適なサイト数やタイムステップ等の実験条件を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和2年度は、計画していた、花弁状の空間モードを持ったビームの生成に関する基礎的な研究を進め、所望の花弁状ビームの生成に成功した。また、花弁状ビームの伝搬特性や、回転制御のための機構について検討を進めた。また、理論的な検討についても、計画していた内容を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度は、令和2年度に生成を確認した花弁状ビームの詳細な評価を実施する。特に回折効率は、光子の利用効率に直結するため、回折効率の向上を検討する。また、花弁状ビームの花弁の数やビーム径についても検討し、最適なパラメータを探索する。さらに、理論的な検討についても、令和2年度に引き続いて進める。
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