ダイヤモンド結晶欠陥をλ型原子として利用した、単一光子の高効率量子メモリの実現

• 研究課題/領域番号: 23244079
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• 研究機関: 京都大学 (2013); 北海道大学 (2011-2012)
• 研究代表者: 竹内 繁樹 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80321959)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 48,100千円 (直接経費: 37,000千円、間接経費: 11,100千円); 2013年度: 10,790千円 (直接経費: 8,300千円、間接経費: 2,490千円); 2012年度: 12,480千円 (直接経費: 9,600千円、間接経費: 2,880千円); 2011年度: 24,830千円 (直接経費: 19,100千円、間接経費: 5,730千円)
• キーワード: 光子 / 量子メモリ / 量子情報 / 量子中継

研究成果の概要

本研究では、光量子メモリの実現を目ざし、ダイヤモンド窒素欠陥(NV)中心とファイバ結合微小共振器を組み合わせた系に着目、研究を進めた。その結果、ダイヤモンドナノ結晶中のNV中心について1.2GHzという非常に狭い線幅の発光観測に初めて成功した。また、ファイバ結合微小球共振器の極低温下（10K以下）制御にも成功した。さらに、λ型電子準位実現に必須である、ナノ光ファイバに結合させたNV中心の光検出磁気共鳴信号の取得にも成功した。さらに、ナノ光ファイバ中に微小共振器を形成した新デバイスを実現、単一発光体の発光強度増強の観測にも成功した。以上のように、光量子メモリの実現に向けた様々な研究成果を得た。

研究成果

• [雑誌論文] Highly Efficient Coupling of nanolight emitters to an ultra-wide tunable nanofiber cavity (2015)
  • 著者名/発表者名: A.Schell, H.Takashima, S.Kamioka, Y.Oe, M.Fujiwara, O.Benson and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: -
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Anomaly detection in reconstructed quantum states using a machine-learning technique (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Hara, T.Ono, R.Okamoto, T.Washio and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Phys.Rev.A 巻: 89 号: 2 ページ: 22104-22104
  • DOI: 10.1103/physreva.89.022104
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and applications (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 雑誌名: Jpn.J.Appl.Phys. 巻: 53 号: 3 ページ: 030101-030101
  • DOI: 10.7567/jjap.53.030101
  • NAID: 210000143395
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum Information Science Using Photons (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 雑誌名: AAPPS BULLETIN 巻: 24 ページ: 19-25
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Numerical simulations of nanodiamond nitrogen-vacancy centers coupled with tapered optical fibers as hybrid quantum nanophotonic devices (2014)
  • 著者名/発表者名: M Almokhtar, M Fujiwara, H.Takashima and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Opt. Exp. 巻: 22 号: 17 ページ: 20045-20059
  • DOI: 10.1364/oe.22.020045
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An Entanglement-Enhanced Microscope (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Ono, R.Okamoto and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 4
  • NAID: 130007718805
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Investigations on the Performance of a Ultra-low Dark Count Superconducting Nanowire Single Photon Detector (2013)
  • 著者名/発表者名: Shanthi Subashchandran, Ryo Okamoto, Labao Zhang, Akira Tanaka, Masayuki Okano, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu and Shigeki Takeuchi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 52 号: 10R ページ: 102801-102801
  • DOI: 10.7567/jjap.52.102801
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dispersion cancellation in high-resolution two-photon interference (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Okano, R.Okamoto, A.Tanaka, S.Ishida, N.Nishizawa and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Phys.Rev.A 巻: 88
  • NAID: 120005353219
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Observation of 1.2-GHz linewidth of zero-photon-line in photoluminescense spectra of nitrogen vacancy centers in nanodiamonds using a Fabry-Perot interferometer (2013)
  • 著者名/発表者名: H.Q.Zhao, M.Fujiwara, M.Okano and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Opt.Exp. 巻: 21 号: 24 ページ: 21-24
  • DOI: 10.1364/oe.21.029679
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A nanodiamond - tapered fiber system with high single-mode coupling efficiency as key element for integrated quantum technology and nanophotonics (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Schroder, M.Fujiwara, T.Noda, H.Q.Zhao, O.Benson and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Opt.Exp. 巻: 20 号: 10 ページ: 10490-10497
  • DOI: 10.1364/oe.20.010490
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental evaluation of diffusion constant in a thin polymer film by triplet lifetime analysis of single molecules (2012)
  • 著者名/発表者名: T.Chiba, H.Fujiwara, J.Hotta, S.Takeuchi and K.Sasaki
  • 雑誌名: J.Photochem.Photobiol.A 巻: 238 ページ: 24-28
  • NAID: 120005946705
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation of broadband spontaneous parametric fluorescence using multiple bulk nonlinear crystals (2012)
  • 著者名/発表者名: Masayuki Okano, Ryo Okamoto, Akira Tanaka, Shanthi Subashchandran, and Shigeki Takeuchi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 20 号: 13 ページ: 13977-13987
  • DOI: 10.1364/oe.20.013977
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly indistinguishable heralded single-photon sources using parametric down conversion (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Tanida, R.Okamoto and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Opt.Exp. 巻: 20 号: 14 ページ: 15275-15285
  • DOI: 10.1364/oe.20.015275
  • NAID: 120004405563
  • 査読あり
• [雑誌論文] Suppression of fluorescence phonon sideband from nitrogen vacancy centers in diamond nanocrystals by substrate effect (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Q.Zhao, M.Fujiwara and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Opt.Exp. 巻: 20 号: 14 ページ: 15628-15635
  • DOI: 10.1364/oe.20.015628
  • NAID: 120004405567
  • 査読あり
• [雑誌論文] Coupling of ultrathin tapered fibers with high-Q microsphere resonators at cryogenic temperatures and observation of phase-shift transition from undercoupling to overcoupling (2012)
  • 著者名/発表者名: Masazumi Fujiwara, Tetsuya Noda, Akira Tanaka, Kiyota Toubaru, Hong-Quan Zhao, and Shigeki Takeuchi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 20 号: 17 ページ: 19545-19553
  • DOI: 10.1364/oe.20.019545
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effect of substrates on the temperature dependence of fluorescence spectra of nitrogen vacancy centers in diamond nanocrystals (2012)
  • 著者名/発表者名: H.Q.Zhao, M.Fujiwara and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 51 号: 9R ページ: 90110-90110
  • DOI: 10.1143/jjap.51.090110
  • NAID: 210000141154
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental demonstration of adaptive quantum state estimation (2012)
  • 著者名/発表者名: R.Okamoto, M.Iefuji, S.Oyama, K.Yamagata, H.Imai, A.Fujiwara and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett 巻: Vol.109 号: 13 ページ: 130404-130404
  • DOI: 10.1103/physrevlett.109.130404
  • NAID: 120004883866
  • 査読あり
• [雑誌論文] Embedded TiO2; waveguides for sensing nanofluorophores in a microfluidic channel (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Furuhashi, M.Fujiwara, T.Ohshiro, K.Matsubara, M.Tsutsui, M.Taniguchi, S.Takeuchi and T.Kawai
  • 雑誌名: Appl.Phys.Lett. 巻: 101 号: 15 ページ: 153115-153115
  • DOI: 10.1063/1.4757759
  • 査読あり
• [雑誌論文] Noncollinear parametric fluorescence by chirped quasi-phase matching for monocycle temporal entanglement (2012)
  • 著者名/発表者名: Akira Tanaka, Ryo Okamoto, Hwan Hong Lim, Shanthi Subashchandran, Masayuki Okano, Labao Zhang, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu, Toru Hirohata, Sunao Kurimura, and Shigeki Takeuchi
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 20 号: 23 ページ: 25228-25238
  • DOI: 10.1364/oe.20.025228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Optical transmittance degradation in tapered fibers (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, K.Toubaru, S.Takeuchi
  • 雑誌名: OPTICS EXPRESS 巻: Vol.19 号: 9 ページ: 8596-8601
  • DOI: 10.1364/oe.19.008596
  • NAID: 120003025354
  • 査読あり
• [雑誌論文] Realization of a photonic quantum circuit combining effective optical nonlinearities into a Knill-Laflamme-Milburn C-NOT gate (2011)
  • 著者名/発表者名: R. Okamoto, J.L. O'Brien, H.F. Hofmann, and S. Takeuchi
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Science 巻: Vol. 108 号: 25 ページ: 10067-10071
  • DOI: 10.1073/pnas.1018839108
  • 査読あり
• [雑誌論文] Highly Efficient Coupling of Photons from Nanoemitters into Single-Mode Optical Fibers (2011)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, K.Toubaru, T.Noda, H.Q.Zhao and S.Takeuchi
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: Vol. 11 号: 10 ページ: 4362-4365
  • DOI: 10.1021/nl2024867
  • 査読あり
• [学会発表] 共振器内臓ナノ光ファイバと量子ドットの結合実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 大江康子、A.Shell, 高島秀聡、上岡俊也、藤原正澄、O.Benson, 竹内繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] 光子を用いた量子計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内繁樹
  • 学会等名: 2015年度精密工学会春季退会シンポジウム「量子光工学の現状」
  • 発表場所: 東洋大学白山キャンパス（東京都文京区）
  • 年月日: 2015-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] 光子を用いた量子計測 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内繁樹
  • 学会等名: 応用物理学会シンポジウム S.4フォトニクスと量子情報技術の融合へ向けて
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
  • 招待講演
• [学会発表] Ultra-wide tuning of a nanofiber Bragg grating cavity (2015)
  • 著者名/発表者名: H.Takashima, A.W.Schell, S.Kamioka, Y.Oe, M.Fujiwara, O.Benson and S.Takeuchi
  • 学会等名: SPIE Photonics West 2015
  • 発表場所: The Moscone Center (San Francisco, USA)
  • 年月日: 2015-02-07 – 2015-02-12
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum metrologies using entangled photons (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: Quantum 2014
  • 発表場所: I. N. Ri. M. (Torino, Italy)
  • 年月日: 2014-05-25 – 2014-05-31
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum measurements and sensings (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics
  • 発表場所: San Diego Convention Center（San Diego, USA)
  • 年月日: 2013-08-25 – 2013-08-29
  • 招待講演
• [学会発表] Nano optical fibers for photonic quantum information (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: Optical Nanofiber Applications: From Quantum to Bio Technologies ONNA 2013
  • 発表場所: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University(沖縄県国頭郡）
  • 年月日: 2013-06-01 – 2013-06-07
  • 招待講演
• [学会発表] Ultra-high resolution PL measurement of temperature-dependent inhomogeneous broadening of zero-phonon line from NV-center in nanodiamond at cryogenic temperatures (2013)
  • 著者名/発表者名: H.Q.Zhao, M.Fujiwara, M.Okano and S.Takeuchi
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 広島大学東広島キャンパス（広島県東広島市）
• [学会発表] Photonic quantum circuits and single photon sources (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy "Ultimate Quantum Systems of Light and Matter-Control and Applications"
  • 発表場所: Nara Prefectual New Public Hall（奈良県奈良市）
  • 招待講演
• [学会発表] Nano optical fibers for photonic quantum information (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: Optical Nanofiber Applications: From Quantum to Bio Technologies ONNA 2013
  • 発表場所: Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University（沖縄県国頭郡）
  • 招待講演
• [学会発表] Coupling diamond nitrogen vacancy centers to tapered fibers: Toward generation of indistinguishable single photons (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, T.Schroder, H.Q Zhao, T.Noda, S.Kamioka, O Benson and S.Takeuchi
  • 学会等名: CLEO-PR & OECC/PS 2013
  • 発表場所: 国立京都国際会館（京都府京都市）
• [学会発表] Coupling diamond nitrogen vacancy centers with optical tapered fibers for single photon sources (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, H Q.Zhao, M.Okano, T.Noda and S.Takeuchi
  • 学会等名: New science and technologies using entangled photons (NSTEP)
  • 発表場所: Osaka University（大阪府茨木市）
• [学会発表] Quantum measurements and sensings (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: SPIE Optics + Photonics
  • 発表場所: San Diego Convention Center, California (USA)
  • 招待講演
• [学会発表] Coupling diamond nitrogen vacancy centers with ultrathin optical tapered fibers at cryogenic temperatures toward efficient indistinguishable single photon sources (2013)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, H.Q Zhao, M.Okano, T.Noda, K.Ikeda, H.Sumiya and S.Takeuchi
  • 学会等名: International Conference on Diamond and Carbon Materials
  • 発表場所: Riva del Garda-Fierecongressi S.p.A, Riva del Garda (Itaｌy)
• [学会発表] Photonic quantum circuits and quantum metrologies (2013)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: OSA'S97th Annual meeting Frontiers in Optics 2013
  • 発表場所: Hilton Bonnet Creek, Florida (USA)
  • 招待講演
• [学会発表] Highly Efficient Coupling of Photons from Single CdSe/ZnS Nanocrystals into Single-Mode Optical Fibers (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, K.Toubaru, T.Noda, H.Q.Zhao and S.Takeuchi
  • 学会等名: CLEO-QELS 2012 (Conference on Lasers and Electro-Optics and Quantum Electronics and Laser Science Conference)
  • 発表場所: San Jose Convention Center, California (USA)
• [学会発表] Efficient coupling of ultrathin tapered fibers with nanomitters and microsphere resonators (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, T.Noda, A.Tanaka, K.Toubaru, H.Q.Zhao and S.Takeuchi
  • 学会等名: Photon 12: Institute of Physics'premier event in optics and photonics
  • 発表場所: Durham University (UK)
  • 招待講演
• [学会発表] 高効率単一光子源応用を目指したナノ微細加工テーパ光ファイバの作成 (2012)
  • 著者名/発表者名: 上岡俊也、藤原正澄、竹内繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2012年秋季大会
  • 発表場所: 横浜国立大学（神奈川県横浜市）
• [学会発表] Nano Optical Fibers for Photonic Quantum Information (2012)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: Quantum Information and Measurement (QIM)
  • 発表場所: Laser Optics Berlin (Germany)
  • 招待講演
• [学会発表] "Highly Efficient Coupling of Photons from Single CdSe/ZnS Nanocrystals into Single-Mode Optical Fibers " (2012)
  • 著者名/発表者名: M.Fujiwara, K.Toubaru, T.Noda, H.Q.Zhao and S.Takeuchi
  • 学会等名: CLEO-QELS 2012 (Conference on Lasers and Electro-Optics and Quantum Electronics and Laser Science Conference)
  • 発表場所: San Jose Convention Center (USA)
• [学会発表] Nano photonics for quantum information science (2012)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: RIES-CIS Symposium
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 招待講演
• [学会発表] Photonic quantum circuits and their application (2011)
  • 著者名/発表者名: S. Takeuchi, R. Okamoto, M. Fujiwara, H.Q. Zhao, H.F. Hofmann and J.L. O' Brien
  • 学会等名: Conference on Quantum Information & Quantum Control
  • 発表場所: the Fields Institute, Toronto (Canada)
  • 招待講演
• [学会発表] Photonic quantum circuits and their application (2011)
  • 著者名/発表者名: S.Takeuchi
  • 学会等名: 11th Asian Quantum Information Science Conference(AQIS'11), Busan, Korea, September 5-9, 2011.
  • 発表場所: Pukyong National University (Korea)
  • 招待講演
• [学会発表] 光子を用いた量子回路の実現と展望 (2011)
  • 著者名/発表者名: 竹内繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学（富山県）
  • 招待講演
• [学会発表] ファイバ結合微小球共振器の光量子デバイスへの応用ー極低温での共鳴周波数制御ー (2011)
  • 著者名/発表者名: 野田哲矢、藤原正澄、趙洪泉、高島秀聡、竹内繁樹
  • 学会等名: 日本物理学会2011年秋季大会
  • 発表場所: 富山大学（富山県）
• [備考] 北海道大学 電子科学研究所 光量子情報研究分野
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/qip/index.html
• [備考] 北海道大学 電子科学研究所 光量子情報研究分野
  • URL: http://www.sanken.osaka-u.ac.jp/labs/qip/index.html