2016 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, 工学研究科, 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28年度は、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、デスクトップ光量子回路に関して、並列化および発生光子対数識別の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実現に成功、理論予測と一致する余剰光子削減を確認した。また、伝令付き単一光子列を複数の経路にルーティングするシリアルパラレル変換システムを構築した。さらに、外部入力光子に対する量子制御SWAP操作を実現する光量子回路を実現するとともに、光量子回路を用いた量子シャッター実験の検証に初めて成功した。
オンチップ光量子回路に関しては、SiN導波路リング共振器の高精度化により、Q=50,000のリング共振器を実現、４光波混合にともなう非線形出力を確認した。また、ナノ光ファイバを用いた単一光子源に関しては、原子間力顕微鏡を用いたマニピュレーション技術を開発、さらに計画以上の成果として、ヘキサゴナル窒化ホウ素(hBN)色欠陥単一発光体とナノ光ファイバのハイブリッド単一光子源を実現した。
理論においても、量子統計を分析する新しい方法を開発、さらに多光子量子干渉縞と入力光子数分布の関係を特定することに成功した。
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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、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。平成28年度は、当初の予定以上の様々な成果が得られ、研究は計画以上に進展している。
まず項目①に関して、並列化および発生光子対数識別の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実現、余剰光子の抑制等を確認した(Opt. Exp. 2016)。さらに単一光子列を複数の経路に分配するシリアルパラレル変換システムを構築した。また、外部入力光子に対する量子制御SWAP操作光量子回路を実現(Sci. Rep. 2017)、光量子回路を用い量子シャッター実験の検証にも成功した(Sci. Rep. 2016)。
項目②に関して、高精度化によりQ=50,000のSiN導波路リング共振器を実現、４光波混合にともなう非線形出力を確認した。また、ハイブリッド変調デバイスの位相変調制御を実現した。項目③に関しては、詳細な電磁界解析を実施(Opt. Exp. 2016)、また原子間力顕微鏡を用いたマニピュレーション技術を開発した。さらに計画以上の成果として、ヘキサゴナル窒化ホウ素(hBN)色欠陥単一発光体とナノ光ファイバのハイブリッド単一光子源を実現した(ACS Photon. 2017)。
項目④に関しては、量子統計を分析する新しい方法を開発(Eur. Phys. J. 2016)、さらに多光子量子干渉縞と入力光子数分布の関係を特定することに成功した(Phys. Rev. A 2016)。
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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、シリアルパラレル変換について、28年度に構築したシステムの動作検証ならびに変換効率の向上に取り組む。また、伝令付き単一光子源の出力の高効率化の研究も実施する。さらに、ホフマングループが理論提案している、多光子量子もつれの、フーリエ変換を利用した検証実験に取り組む予定である。
項目②オンチップ光量子回路に関しては、引き続き、SiN導波路の高効率化、ならびに光入出力結合の低損失化をはかる。また、SiNリング共振器において観測した４光波混合の非線形出力に関し、同時計数による光子対発生の確認に取り組む予定である。
項目③ナノ光ファイバハイブリッド光子源に関しては、引き続きキャビティを内蔵したナノ光ファイバ中のＱ値向上に取り組むとともに、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に取り組む。項目④の理論・解析に関しては、引き続き、多モード多光子状態の量子もつれに関する理論研究、多モード系の量子統計の研究などを進める。また、京大グループで予定している多モード多光子状態の量子もつれ評価実験に関し理論的な支援を行う。
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