2014 Fiscal Year Annual Research Report
光量子回路を用いた大規模量子もつれ状態の実現と応用
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26220712
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
竹内 繁樹 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80321959)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
横山 士吉 九州大学, 先導物質化学研究所, 教授 (00359100)
Hofmann Holger・F 広島大学, 先端物質科学研究科, 准教授 (90379909)
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| Project Period (FY) |
2014-05-30 – 2019-03-31
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| Keywords | 光子 / 光量子回路 / 光導波路 / 単一光子源 / ナノフォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子情報技術とは、量子力学の基本的な性質を、情報通信や情報処理に応用する試みである。光子は、光ファイバ等で長距離伝送が可能であるなど、有力な情報担体である。本研究では、目標として10光子をもつれ合わせることの可能な光量子回路を実現、大規模な多光子量子干渉「ボソンサンプリング」の実証を目指す。また、実現される多光子量子もつれ状態の量子計測への応用等も試みる。
平成26年度および27年度の延長計画において、単一光子源の開発と評価、光量子回路の構築と評価・量子計測への応用などを担当する京都大学の竹内グループ、集積光導波路を設計・製作を担当する九州大学の横山グループ、理論構築・解析を担当する広島大学のホフマングループの３グループが密接に連携しつつ、研究を進めた。
その結果、ナノ光ファイバ中に収束イオンビームを用いて微小共振器を形成した「ナノファイバブラッグキャビティ(NFBC)」の実現に成功した。従来の固体微小共振器には見られない、可視光域で20nmにも及ぶ共鳴波長の制御を実証、さらに単一発光体を結合させたハイブリッドデバイスにおいて、2.7倍の発光強度増強の観測にも成功した(Scientific Report 2015)。他に、ナノ光ファイバとダイヤモンド中の窒素欠陥中心の結合デバイスを、極低温に冷却する実験にも成功した(Opt. Exp. 2015)。また、光量子計測に関し、量子もつれ光を用いた超高分解能２光子干渉縞の観測に成功した(Scientific Report 2015)。また、高屈折率光学材料を用いたリング共振器や細線導波路の実現に向け、電気光学特性から導波路特性を評価した結果、リング共振器による低電圧のスイッチング特性を得ることができた。また理論においても、多光子もつれ状態を効率的に得るための新たなアプローチを考案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究グループは、単一光子源の開発と評価、光量子回路によるボソンサンプリング・量子計測への応用などを担当する京都大学の竹内グループ、集積光導波路を設計・製作を担当する九州大学の横山グループ、光量子回路を用いたボソンサンプリング、量子計測に関する理論構築・解析を担当する広島大学のホフマングループの３グループが密接に連携しつつ、①デスクトップ光量子回路、②オンチップ光量子回路、③ナノ光ファイバハイブリッド光子源、④理論・解析の４つの項目について研究を進めている。当初の予定以上の成果が得られており、研究は計画以上に進展している。
平成26年度および27年度の延長計画では、項目①デスクトップ光量子回路に関して、非同軸パラメトリック下方変換を用いた伝令付き単一光子源を構築、出力光子数分布のポンプ光強度依存性の評価を行った。項目②オンチップ光量子回路に関しては、有機無機ハイブリッド型光導波路デバイスの作製に注力して研究を進めた。その結果、SiNやTiO2などの光学材料が応用できることを明らかにし、電気光学特性による光学評価課からもオンチップ光量子回路の実現に向け予備的知見を得た。また、SiN上にリング共振器を形成、ポンプ光強度に対する出力依存性の解析を行い、ファイバ中で発生するラマン散乱光の寄与や、光ファイバと導波路の接続損失の影響などを明らかにした。項目③ナノ光ファイバハイブリッド光子源に関しては、量子ドットをナノ光ファイバ中に形成したキャビティに結合させ、パーセル効果の実証に成功した。項目④の理論・解析に関しては、N個の単一光子の多光子量子干渉によって生成される量子もつれに関する理論解析ならびに量子もつれの評価法についての研究を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後についても、３グループが密接に連携しつつ、引き続き①デスクトップ光量子回路、②オンチップ光量子回路、③ナノ光ファイバハイブリッド光子源、④理論・解析の４つの項目について研究を進める。
項目①デスクトップ光量子回路に関しては、非同軸パラメトリック下方変換を用いた伝令付き単一光子源について、並列化および発生光子対数識別の双方の効果を理論的に検討、それら２つの方式を融合したハイブリッド型伝令付き単一光子源を構築、その出力光子数分布を測定、理論を検証する。項目②オンチップ光量子回路に関しては、オンチップ光回路用のSiN導波路へポンプ光入射効率を高めるため、薄膜形成、導波路設計等の最適化、端面加工の改良を進めるとともに、導波路とリング共振器の結合状態の評価を実施する。またデバイス構造の最適化により、４光波混合による光子対発生を目指す。他に、位相変調器に関しては、SiN導波路と高非線形性ポリマーを使ったハイブリッドデバイスを用いて位相制御特性の解析を進める。項目③ナノ光ファイバハイブリッド光子源に関しては、キャビティを内蔵したナノ光ファイバ中のＱ値向上についてモデル計算を実施すると共に、より微細な構造作成を目ざし、Heイオンを用いたデバイス作成を試みると共に、原子間力顕微鏡を用いたマニピュレーション技術の開発を進める。項目④の理論・解析に関しては、単一光子源と線形光学素子により生成される状態における、実験的に観測可能な多光子統計の研究を行う。特に、N個の単一光子の多光子量子干渉によって生成される量子もつれに関する理論解析を進め、出力における量子相関を最適化する戦略の開発を引き続き実施する。
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