量子力学と情報処理の絡み合い解明のための基礎研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12440111
• 研究機関: 総合研究大学院大学
• 研究代表者: 井元 信之 総合研究大学院大学, 先導科学研究科, 教授 (00313479)
• 研究分担者: 小芦 雅斗 総合研究大学院大学, 先導科学研究科, 助教授 (90322099)
• キーワード: 量子情報処理 / 量子暗号 / 量子コンピューティング / エンタングルメント / 量子テレポーテーション / 量子光学 / 非線形光学 / 原子のボーズアインシュタイン凝縮

研究概要

本研究では量子暗号、量子コンピューティング、量子テレポーテーション等をキーワードとする新しい量子情報処理の実現を目的として理論および実験的研究を行っている。またその基盤となる量子光学の研究を進めている。
量子暗号では(1)統一的理解および設計指針の理論化、(2)現実条件下での安全性の証明と条件明確化、(3)鍵配送以外の情報処理への応用(認証、多者間プロトコル等)の提案が課題である。(1)に関連しては一般的な理論構築を目指し「量子状態を変えずにできる情報抽出」の詳細条件を明らかにした。(2)に関してはB92方式量子暗号において損失やエラーがある場合の安全性について詳細検討を行った。(3)に関しては「光子を無駄にしない4状態」が認証や「同一鍵の繰り返し使用を許す通信」等、様々な応用のあることを明らかにした。
量子情報処理の基礎となるエンタングルメントの発生制御に関しては、制御NOTを線形素子で実現する方法の提案、多qubitのエンタングルメントの理論的上限、それを実現するための物理的相互作用、古典通信によるエンタングルメント凝縮について理論的研究を行った。また量子ビットの任意の状態を準備する方法として提案された"quantum scissors"を実現するための実験系詳細検討を行い、二光子干渉実験を行った。
原子のボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)関係では、近年アルカリ原子以外に水素原子でのBEC実験が行われていることを鑑み、今回は水素に拡張し、最適冷却法がアルカリ原子の場合と異なることを明らかにした。
また一般に光の量子状態を記述する方法として変形Wehrlエントロピーが優れている場合があることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Yamamoto,M.Koashi,and N.Imoto,: "Concentration and purification scheme for two partially entangled photon pairs"Phys.Rev.. A64. 012304 (2001)
• [文献書誌] M.Koashi and N.Imoto,: "Compressibility of Quantum Mixed-State Signals"Phys.Rev.Lett.. 87. 017902-1 (2001)
• [文献書誌] M.Koashi,T.Yamamoto,and N.Imoto,: "Probabilistic manipulation of entangled photons,"Phys.Rev.. A63. 030301(R) (2001)
• [文献書誌] A.Miranowicz,J.Bajer,M.R.B.Wahiddin,and N.Imoto,: "Wehrl information entropy and phase distributions of macroscopic quantum superpositions,"J.Phys.. A34. 1-10 (2001)
• [文献書誌] M.Koashi and M.Ueda,: "Exact eigenstates and magnetic response of spin-1 and spin-2 Bose-Einstein condensates,"Phys.Rev.Lett.. 84,No.6. 1066-1069 (2000)
• [文献書誌] M.Koashi,V.Buzek,and N.Imoto,: "Entangled webs : Tight bound for symmetric sharing of entanglement"Phys. Rev.. A62. 050302(R) (2000)
• [文献書誌] V.Buzek,P.L.Knight,and N.Imoto,: "Multiple observations of quantum clocks"Phys.Rev.. A62. 062309 (2000)
• [文献書誌] K.Shimizu and N.Imoto,: "Single-photon-interference communication equivalent to Bell-state is cryptographic quantum communication,"Phys.Rev.. A62. 054303 (2000)
• [文献書誌] M.Yamashita M.Koashi,T.Mukai,M.Mitsunaga and N.Imoto: "Dynamics of evaporative cooling in magnetically trapped atomic hydrogen,"
• [文献書誌] 櫛田孝司 編,井元 共著: "丸善実験物理学講座第9巻「レーザー測定」"丸善. 341(11) (2000)
• [文献書誌] 今井秀樹 編,井元 共著: "現代暗号とマジックプロトコル"サイエンス社. 170(8) (2000)