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複数の粒子が量子力学的に強く相関した量子もつれ状態は、粒子の数が3つ、4つと多くなるにつれて、定性的にも異なる多種多様なもつれ合いのパターンが可能になる。その中のひとつ、W状態と呼ばれる量子もつれ状態では、各粒子が他の全ての粒子と等しく相関を持つため、あらゆる粒子対の組み合わせが互いに手を繋いでいる網の目のような構造を持つ。W状態を拡張して粒子数を増やすには、既存の全ての粒子との相互作用が必要に思えるが、量子力学の性質をうまく使うと、たった一個の既存の粒子と相互作用させるだけで、拡張が可能になる。任意の粒子数に適用できる光子W状態の汎用的な拡張法の検証実験を行い、3粒子および4粒子のW状態が確かに生成できることを、忠実度や粒子対量子もつれの大きさから実証した。
量子通信では、遠く離れた2者間での量子もつれ状態の共有が重要となるが、通信路としてよく用いられる光ファイバの雑音による劣化が問題となる。ゆっくり変化する雑音成分から保護する手段として、複数光子のデコヒーレンスフリー部分空間(DFS)に量子情報を載せる手法が注目されているが、n光子を用いると、光ファイバ透過率のn乗で効率が低下する問題を抱えていた。本研究では、量子もつれの特性を生かすことで、DFSを担う光子の一つが光ファイバを逆走する配置でも雑音からの保護が可能であることを示し、その場合には光子数を単純に増やすことで効率を大きく改善できるという提案を行った。2光子DFSの実験により、光ファイバ透過率の2乗ではなく1乗に比例した効率で、劣化の小さい量子もつれ状態を共有できることを実証した。
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