半導体発光素子による光子数量子状態発生と量子光学

2012 年度 実績報告書

• 研究領域: 半導体における動的相関電子系の光科学
• 研究課題/領域番号: 20104003
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 井元 信之 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00313479)
• 研究期間 (年度): 2008-04-01 – 2013-03-31
• キーワード: 量子情報処理 / 単一光子 / エンタングルメント / 非線形光学効果 / 動的多体量子効果 / 微小共振器 / 光子統計 / 量子トモグラフィ

研究実績の概要

［１］新しい量子計算手法の提案
対称性の破れによる長距離秩序を有する物質を用いた新たな量子計算手法を提案し、多体協調効果によって量子計算の熱雑音に対する耐性が著しく向上されるという現象を発見した。量子情報処理に使われる量子状態は雑音に非常に弱く、雑音から保護する新たな方法を確立することが大きな課題となっていた。今回、強磁性的相転移を有する新たな量子スピン模型（相互作用クラスター模型）を発見し、相転移点以下の熱平衡状態における多体協調現象を利用した量子計算法を提案した。解析の結果、相転移点以下の対称性が破れた物質相における長距離相関によって量子計算の精度が著しく改善されることが理論的に示された。有限温度熱平衡状態を用いた量子計算において、物質系にける相転移現象や長距離秩序と量子計算の熱雑音に対する耐性との間に密接な関係が得られたのは世界で初めてであり、今後この機構を利用することによって量子情報処理の実現に大きく寄与することが期待される。関連するH24年度の出版はPRL110、PRA87、PRE86、PRA86、Nature Comm.3
［２］量子情報を高忠実に保存する波長変換の実現
量子コンピューターや長距離量子暗号等の量子情報処理において量子メモリーが不可欠だが、量子メモリーの読み書きには可視光が用いられるのに対し、量子光通信では赤外の通信波長帯が使われており、この波長の齟齬が大きな問題だった。これまでなかなか実現されなかった可視光から通信波長帯への広帯域かつ量子的波長変換を、本プロジェクトでPPLN（周期分極反転ニオブ酸リチウム）を用いることにより実現して来たが、H24年度はさらに超伝導光子検出素子を用いることにより、変換の忠実度を飛躍的に上げることができた。関連するH24年度の出版はPRA87（前項のPRA87とは別論文）

現在までの達成度 (段落)

24年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

24年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Fundamental limit to qubit control with coherent field (2013)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Igeta, Nobuyuki Imoto, and Masato Koashi
  • 雑誌名: Physical Review 巻: Ａ87 ページ: 022321-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.87.022321
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement-Based Quantum Computation on Symmetry Breaking Thermal States (2013)
  • 著者名/発表者名: K. Fujii, Y. Nakata, M. Ohzeki, and M. Murao
  • 雑誌名: Phys. Rev. Lett. 巻: 110 ページ: 120502-1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.120502
  • 査読あり
• [雑誌論文] High-fidelity conversion of photonic quantum information to telecommunication wavelength with superconducting single-photon detectors (2013)
  • 著者名/発表者名: Rikizo Ikuta, Hiroshi Kato, Yoshiaki Kusaka, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Mikio Fujiwara, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Masahide Sasaki, Zhen Wang, and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: Physical Review 巻: Ａ87 ページ: 010301-1-4
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.87.010301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Blind topological measurement-based quantum computation (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Morimae and Keisuke Fujii
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 3 ページ: 1036
  • 査読あり
• [雑誌論文] Duality analysis on random planar lattices (2012)
  • 著者名/発表者名: M. Ohzeki and K. Fujii
  • 雑誌名: Physical Review 巻: E 86 ページ: 051121-1-9
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.86.051121
  • 査読あり
• [雑誌論文] Error and loss tolerances of surface codes with general lattice structures (2012)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Fujii and Yuuki Tokunaga
  • 雑誌名: Physical Review 巻: A 86 ページ: 020303-1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.86.020303
  • 査読あり
• [雑誌論文] A strange weak value in spontaneous pair productions via a supercritical step potential (2012)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yokota and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: New J. Phys. 巻: 14 ページ: 083021-1-11
  • DOI: 10.1088/1367-2630/14/8/083021
  • 査読あり
• [雑誌論文] Not all physical errors can be linear CPTP maps in a correlation space (2012)
  • 著者名/発表者名: Tomoyuki Morimae and Keisuke Fujii
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 508 ページ: 00508-1-6
  • DOI: 10.1038/srep00508
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantum repeaters and computation by a single module: Remote nondestructive parity measurement" (2012)
  • 著者名/発表者名: Koji Azuma, Hitoshi Takeda, Masato Koashi, and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. 巻: A 85 ページ: 062309-1-7
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.85.062309
  • 査読あり
• [学会発表] イジング分配関数の複雑性と量子計算 (2013)
  • 著者名/発表者名: 松尾亮,藤井啓祐,井元信之
  • 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
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 4量子ビット局所系を用いた分散型量子計算 (2013)
  • 著者名/発表者名: 藤井啓祐,山本俊,小芦雅斗,井元信之
  • 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
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] 量子Bang-Bang制御によるデコヒーレンス抑制の限界 (2013)
  • 著者名/発表者名: 井桁和浩,井元信之,小芦雅斗
  • 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
  • 年月日: 2013-03-28
• [学会発表] Is quantum nonlocality without entanglement really in quantum realms? (2013)
  • 著者名/発表者名: 東浩司，中村真也，小芦雅斗，井元信之
  • 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
  • 年月日: 2013-03-26 – 2013-03-29
• [学会発表] Unbalanced BB84のアンバランスさを考慮しないデータ処理 (2013)
  • 著者名/発表者名: 春原怜史，玉木潔,井元信之
  • 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
  • 年月日: 2013-03-26 – 2013-03-29
• [学会発表] 可視域から通信波長帯へ周波数下方変換された二光子の非古典的干渉の観測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 生田力三，小林俊輝，加藤大織，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生，山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，王鎮，井元信之
  • 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
  • 年月日: 2013-03-26 – 2013-03-29
• [学会発表] 光でつなぐ量子ネットワーク (2013)
  • 著者名/発表者名: 山本俊
  • 学会等名: 平成24 年度 総研大学術交流会
  • 発表場所: 総合研究大学院大学 葉山キャンパス
  • 年月日: 2013-03-21 – 2013-03-22
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum computational complexity of approximating partition functions of Ising model with complex parameters (2013)
  • 著者名/発表者名: Akira Matsuo, Keisuke Fujii, Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: Quantum information via statistical mechanics
  • 発表場所: Yoshida campus, Kyoto university
  • 年月日: 2013-01-07
• [学会発表] 通信波長帯へ周波数下方変換された二光子における非古典的干渉の観測 (2012)
  • 著者名/発表者名: 加藤大織、生田力三、小林俊輝、三木茂人、山下太郎、寺井弘高、藤原幹生、山本俊、小芦雅斗、佐々木雅英、王鎮、井元信之
  • 学会等名: 第27回量子情報技術研究会
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス
  • 年月日: 2012-11-27 – 2012-11-28
• [学会発表] Dicke状態の拡張に必要な局所操作 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小林俊輝, 生田力三, シャヒン・カヤ・オズデミル, 山本俊, 小芦雅斗, 井元信之
  • 学会等名: 第27回量子情報技術研究会
  • 発表場所: 慶應義塾大学 日吉キャンパス
  • 年月日: 2012-11-27 – 2012-11-28
• [学会発表] A Photonic Quantum Interface for Visible-to-Telecommunication Wavelength Conversion (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Yamamoto, R. Ikuta, M. Koashi, N. Imoto
  • 学会等名: IEEE PHOTONICS CONFERENCE 2012
  • 発表場所: Hyatt Regency San Francisco Airport, USA
  • 年月日: 2012-09-23 – 2012-09-27
  • 招待講演
• [学会発表] On the robustness of quantum communication based on decoherence-free subspace using counter propagating weak coherent laser light (2012)
  • 著者名/発表者名: Hideotoshi Kumagai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi and Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: International Conference on Quantum Foundation and Technology
  • 発表場所: Dunhuang Hotel, Dunhuang, China
  • 年月日: 2012-08-25 – 2012-08-30
• [学会発表] A distributed architecture for scalable quantum computation with realistically noisy devices (2012)
  • 著者名/発表者名: Kieuske Fujii, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, and Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: DYCE International Workshop
  • 発表場所: Vienna University of Kussharo Prince Hotel, Hokkaido, JapanTechnology, Vienna, Austria
  • 年月日: 2012-08-07 – 2012-08-10
• [学会発表] High-fidelity frequency down-conversion of visible entangled photon pairs with superconducting single-photon detectors (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Ikuta, H. Kato, Y. Kusaka, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, T. Yamamoto, M. Koashi, M. Sasaki, Z. Wang, N. Imoto
  • 学会等名: 11th International Conference on Quantum Communication, Measurement, and Computing
  • 発表場所: Vienna University of Technology, Vienna, Austria
  • 年月日: 2012-07-30 – 2012-08-03
• [学会発表] Thresholds of surface codes on the general lattice structures suffering biased error and loss (2012)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Fujii and Yuuki Tokunaga
  • 学会等名: 11th International Conference on Quantum Communication, Measurement, and Computing
  • 発表場所: Vienna University of Technology, Vienna, Austria
  • 年月日: 2012-07-30 – 2012-08-03
• [学会発表] Fault-tolerant quantum computation and communication on a distributed 2D array of small local systems (2012)
  • 著者名/発表者名: Kieuske Fujii, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, and Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: 11th International Conference on Quantum Communication, Measurement, and Computing
  • 発表場所: ienna University of Technology, Vienna, Austria
  • 年月日: 2012-07-30 – 2012-08-03
• [学会発表] High-fidelity wavelength conversion of a quantum state with a superconducting single photon detector (2012)
  • 著者名/発表者名: R. Ikuta, H. Kato, Y. Kusaka, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, T. Yamamoto, M. Koashi, M. Sasaki, Z. Wang, N. Imoto
  • 学会等名: 第７回量子サイバネティクス総括班会議
  • 発表場所: ハイアットリージェンシー京都
  • 年月日: 2012-06-21 – 2012-06-22
• [学会発表] A distributed architecture for scalable quantum computation with realistically noisy devices (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fujii, T. Yamamoto, M. Koashi, and N. Imoto
  • 学会等名: 第７回量子サイバネティクス総括班会議
  • 発表場所: ハイアットリージェンシー京都
  • 年月日: 2012-06-21 – 2012-06-22
• [学会発表] On the robustness of quantum communication based on decoherence-free subspace using counter propagating weak laser light (2012)
  • 著者名/発表者名: Hidetoshi Kumagai, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, and Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: 第９回ＡＭＯ討論会
  • 発表場所: 理化学研究所 大河内記念ホール
  • 年月日: 2012-06-15 – 2012-06-16
• [学会発表] 特異な弱値が果たす物理量としての役割 (2012)
  • 著者名/発表者名: 横田一広
  • 学会等名: 第９回ＡＭＯ討論会
  • 発表場所: 理化学研究所 大河内記念ホール
  • 年月日: 2012-06-15 – 2012-06-16
  • 招待講演
• [学会発表] A distributed architecture for scalable quantum computation with realistically noisy devices (2012)
  • 著者名/発表者名: K. Fujii, T. Yamamoto, M. Koashi, and N. Imoto
  • 学会等名: Mini-workshop on possible implementations of fault-tolerant quantum computing
  • 発表場所: Research Center for Advanced Science and Technology (RCAST), Komaba II campus, University of Tokyo
  • 年月日: 2012-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] Photonic quantum communication with noisy and lossy channels (2012)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Imoto
  • 学会等名: Quantum 2012 (Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons)
  • 発表場所: Turin, Italy
  • 年月日: 2012-05-24
• [学会発表] トポロジカルフォールトトレラント量子計算 (2012)
  • 著者名/発表者名: 藤井啓祐
  • 学会等名: 第26回量子情報技術研究会
  • 発表場所: 福井大学 文京キャンパス
  • 年月日: 2012-05-21 – 2012-05-22
• [学会発表] 光子の量子状態操作と量子情報通信 (2012)
  • 著者名/発表者名: 山本俊
  • 学会等名: 量子科学フロンティア
  • 発表場所: 日本大学理工学部駿河台校舎
  • 年月日: 2012-04-26