2015 Fiscal Year Annual Research Report
多光子の無損失な波長変換法の構築と大規模量子計算への応用
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26706021
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
松田 信幸 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究主任 (10587695)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 量子光学 / 非線形光学 / 量子情報 / 光ファイバ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、単一光子波束の周波数スペクトルを無損失かつ決定論的に変換する手法の構築である。その手法として、相互位相変調（XPM）を用いる。XPMは光による他の光の周波数の決定論的制御を可能にする非線形光学効果であるが、これまで単一光子波束に適用された例はなかった。研究代表者はこれまで、分散制御されたフォトニック結晶ファイバ（PCF）を用いることで、強いポンプ光パルスが単一光子波束に対して高効率・低雑音な周波数変化を付与できる条件を見出すとともに、実験に成功した。さらに、2光子の間の周波数空間における量子相関（量子もつれ等）を変調可能であることを確認した。今年度は以下の研究を行った。
・周波数変換された光子の単一光子性（光子統計性）が保存されていることを実験で確認した。
・昨年度観測されていたXPMに付随した光子損失の原因究明を行った。結果、PCF中においてXPMにより誘起される微小な非線形偏波回転が、特定の実験条件下で損失として観測されていることがわかった。すなわち、実際には波長変換に伴う光子損失がなく、文字通り「無損失な」周波数変換が達成されていることが示された。
・周波数変換による2光子の非古典的な干渉を制御する実験において、詳細な解析を行うとともに、実験条件を改善し、各種干渉明瞭度を向上させた。このことにより周波数変換がほぼ「決定論的に」生じていることを実証した。
・光子対発生から周波数変換までの一連の過程の数値シミュレーションを行い、その結果が実験結果と良い一致を示すことを確認した。また、実験条件の改善により周波数変換量を現状の0.4 THzから少なくとも1.2 THz以上へと増大可能であることを示した。
・空間位相変調器を用いたポンプ光短パルスの波形整形装置、すなわち周波数制御自由度を向上するための系を構築した。また、多光子スペクトル相関測定の実験系を構築した（後述）。
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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
XPMによる周波数変換の無損失性及び決定論性を強く裏付ける一連の結果を得ることができたためである。当初予定していたよりも多くの検証実験を行い、多くの新たな知見を得るとともに、研究成果をまとめた論文を発表した(Science Advances)。また、当初の予定通り周波数制御自由度向上のための波形整形装置を構築した。加えて、周波数空間における多光子干渉実験のための実験系（後述）も構築し、次年度に向けた準備を整えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した周波数変換技術を応用し、周波数空間における多光子量子相関の制御へと展開する。これに向け、今年度、別予算にてマルチチャネル高効率超伝導単一光子検出器を導入するとともに、多光子相関の測定に成功している。また波長分散モジュールを用いた波長-時間変換装置を導入し、高速な多光子分光系を構築した。これを用い、当初の予定である周波数領域における最大４光子の多光子干渉制御実験を行う。
また、空間位相変調器を用いた制御光パルス波形整形装置を用い、周波数変換量の向上や、時間レンズ操作（時間領域直接フーリエ変換）といった高度な操作を行う。また、周波数空間における高度な多光子干渉制御へと応用する。
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