量子フィードバックシステムの設計と実現

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22560439
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 津村 幸治 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 准教授 (80241941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 米澤 英宏 東京大学, 大学院・工学系研究科, 特任講師 (50451802)
• Keywords: 量子光学 / カルマンフィルタ / adaptive measurement

Research Abstract

本研究では応用範囲が広いとされる量子光学系に焦点をあて,量子版現代制御理論の有効性を確かめる具体的な量子フィードバックシステムの設計と実現を目的とする.制御理論と量子光学の分野の研究者から研究組織を構成し,量子フィルタ理論および量子フィードバック制御理論を基礎とし,推定限界,制御性能限界等の様々な現代制御理論の結果を,世界に先駆け量子力学系において検証することを目指す.本研究の主目的を達成するためには,次の点が明らかにされなければならない.課題(1)連続測定を可能とする量子光学系のクラスの特定と観測システムの設計,課題(2)フィードバック制御が可能である量子光学系のクラスの特定と制御部の設計,課題(3)制御理論の諸問題を検証するために要求される実験機の性能・仕様の割り出し,課題(4)実験および検証
平成22年度においては,課題(3),(4)に相当する実機による実現性を確認することを先に実施すべきとの考えに至り,対象は量子光学系ではあるが,その古典的物理量の最適推定器を導出し,その有効性を数値シミュレーションおよび実機実験により確認した.より具体的には対象はadaptive measurementと呼ばれる系である.これはランダム位相変調を受けたレーザ光をホモダイン測定するものであり,観測値からフィルタによりレーザ光の位相を推定し,測定系ヘフィードバックすることにより測定精度を高めるものである.従来はアドホックなフィルタによる結果が報告されているが,これに対して本研究では最適フィルタ(カルマンフィルタ)を導出した.さらにこの最適フィルタの有効性を,数値実験,および実機による実験により,理論値および従来のアドホックなフィルタとの比較において確認した.以上の結果は,今回は古典的物理量の推定ではあるが,既存設備により量子光学系におけるオンラインでの最適状態推定が可能であることを示しており,同様の設備により非古典的物理量の推定が可能であることが示唆される.