光を用いた量子情報処理の研究

2006 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 16204031
• 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・プラズマ
• 研究機関: 国立情報学研究所
• 研究代表者: 山本 喜久 国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 教授 (60370102)
• 研究分担者: 根本 香絵 国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 助教授 (80370104) ; 松本 啓史 国立情報学研究所, 情報学プリンシプル研究系, 助教授 (60272390)
• 研究期間 (年度): 2004 – 2007
• キーワード: 量子コンピュータ / 量子エレクトロニクス / 情報基礎 / 線形光学量子情報処理 / 電子スピン / デコヒーレンス / ドナー不純物

研究概要

量子情報処理システムの実現にとって光の非線形性は大変小さいことから、これまでは線形光学量子情報処理の研究が光を用いた量子情報処理の研究においては主流を成してきた。しかしながら、この方法は膨大な物理的リソースが必要とされることが予想され、実現化は極めて困難であることが最近の研究によって示唆されている。本研究は光を用いた量子情報処理に、弱いが非常に損失の少ない非線形性を効率よく用いるという画期的な方法によって、線形光学量子情報処理が抱えていた問題に新しい指針を与えることに成功した。この弱い非線形光学量子情報処理計算の方法は線形光学量子情報処理の方法とは本質的に異なり、さまざまなプロトコルや量子計算モデルにも応用できることから、新しい実現化の方法として注目されている。本研究においてもプロトコルや量子計算において非線形光学量子情報処理の方法の効率性と優位性を示した。
また、このような損失の極めて少ない光非線形の実現手段として、半導体(GaAs)中のドナー不純物に束縛された電子のゼーマン2準位を基底状態、ドナー不純物に束縛された励起子(エキシトン)を励起状態とするラムダ構造を用いて、ドナー不純物濃度が10^13(cm^-3)程度の高純度GaAsにおいて電磁誘導透過(EIT)現象を初めて観測することに成功した。また、非線形光学量子計算の素子の開発に向けて、単一のドナー不純物をマイクロ共振器に閉じ込めた系で、^<19>F:ZnSe、^<29>Si:GaAsのデコヒーレンス時間の評価、単一不純物のアイソレーション、マイクロキャビティへの埋め込み技術の検討を進めた。^<19>F:ZnSeシステムに関しては、MBE成長法とプロセス技術の改良により、安定に単一不純物をアイソレートすることに成功した。^<29>SSi:GaAsに関しては、T_1時間の評価を行ない、T_1>4msecという極めて長いT_1時間の観測に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Yet another additivity conjecture (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Matsumoto
  • 雑誌名: Physics Letters A 350 ページ: 179-181
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum computation by communication (2006)
  • 著者名/発表者名: T.P.Spiller
  • 雑誌名: New Journal of Physics 8 ページ: 30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Feed-forward and its role in conditional linear optical quantum dynamics (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Scheel
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 034301
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum error correction via robust probe modes (2006)
  • 著者名/発表者名: F.Yamaguchi
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 060302R
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Implementing nonprojective Measurements via Linear Optics : an approach based on optimal quantum state discrimination (2006)
  • 著者名/発表者名: P.van Loock
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 062320
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Hybrid quantum repeater using bright coherent light (2006)
  • 著者名/発表者名: P.van Loock
  • 雑誌名: Physical Review Letters 96 ページ: 240501
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Distributed arithmetic on a quantum multicomputer (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Van Meter
  • 雑誌名: In Computer Architecture News, Proc. 33rd Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA) ACM ページ: 354-265
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum computation by communication (2006)
  • 著者名/発表者名: T.P.Spiller, K.Nemoto, S.L.Braunstein, W.J.Munro, P.van Loock, G.J.Milburn
  • 雑誌名: New Journal of Physics 8 ページ: 30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Feed-forward and its role in conditional linear optical quantum dynamics (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Scheel, W.J.Munro, J.Eisert, K.Nemoto, P.Kok
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 034301
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum error correction via robust probe modes (2006)
  • 著者名/発表者名: F.Yamaguchi, K.Nemoto, W.J.Munro
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 060302R
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Implementing nonprojective Measurements via Linear Optics : an approach based on optimal quantum state discrimination (2006)
  • 著者名/発表者名: P.van Loock, K.Nemoto, W.J.Munro, P.Raynal, N.Lutkenhaus
  • 雑誌名: Physical Review A 73 ページ: 062320
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Hybrid quantum repeater using bright coherent light (2006)
  • 著者名/発表者名: P.van Loock, T.D.Ladd, K.Sanaka, F.Yamaguchi, K.Nemoto, W.J.Munro, Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Physical Review Letters 96 ページ: 240501
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Distributed arithmetic on a quantum multicomputer (2006)
  • 著者名/発表者名: R.Van Meter, W.J.Munro, K.Nemoto, K.M.Itoh
  • 雑誌名: In Computer Architecture News, Proc. 33rd Annual International Symposium on Computer Architecture (ISCA'06) ACM ページ: 354-265
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Single photons for quantum information systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Progress in Informatics 1 ページ: 5-37
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum estimation for non-differentiable models (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Tsuda
  • 雑誌名: Journal of Physics A 38 ページ: 1593-1613
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fabrication of InAs Quantum Dots in AlAs/GaAs DBR Pillar Microcavities for Single Photon Sources (2005)
  • 著者名/発表者名: B.Zhang
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97 ページ: 073507
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High-efficiency quantum -nondemolition single-photon-number-resolving detector (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro
  • 雑誌名: Physical Review A 71 ページ: 033819
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Weak nonlinearities : a new route to optical quantum computation (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro
  • 雑誌名: New Journal of Physics 7 ページ: 137
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Symmetry analyser for nondestructive Bell-state detection using weak nonlinearities (2005)
  • 著者名/発表者名: S.D.Barrett
  • 雑誌名: Physical Review A 71 ページ: 060302(R)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Efficient optical quantum information processing (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro
  • 雑誌名: Journal of Optics B : Quantum and Semiclassical Optics 7 ページ: S135-S140
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Controlling the Spontaneous Emission Rate of Single Quantum Dots in a Two-Dimensional Photonic Crystal (2005)
  • 著者名/発表者名: D.Englund
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 013904
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Photon Correlation Studies of Single GaN Quantum Dots (2005)
  • 著者名/発表者名: C.Santor
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87 ページ: 051916
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Optical quantum information processing utilizing weak nonlinearities : a little goes a long way (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 5893 ページ: 110
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Universal quantum computation on the power of quantum non-demolition measurements (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Nemoto
  • 雑誌名: Physics Letters A 344 ページ: 104-110
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Single photons and entangled photon-pairs from a quantum dot (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Optronics 9 ページ: 134-144
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Coherent Population Trapping of Electron Spins in a High-Purity n-Type GaAs Semiconductor (2005)
  • 著者名/発表者名: K.C.Fu
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 187405
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Single photons for quantum information systems (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Yamamoto, C.Santori, G.Solomon, J.Vuckovic, D.Fattal, E.Waks, E.Diamanti
  • 雑誌名: Progress in Informatics 1 ページ: 5-37
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum estimation for non-differentiable models, (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Tsuda, K.Matsumoto
  • 雑誌名: Journal of Physics A(Math.Gen.) 38, No7 ページ: 1593-1613
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Fabrication of InAs Quantum Dots in AlAs/GaAs DBR Pillar Microcavities for Single Photon Sources (2005)
  • 著者名/発表者名: B.Zhang, G.S.Solomon, M.Pelton, J.Plant, C.Santori, J.Vukovic, Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97 ページ: 073507
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] High-efficiency quantum-nondemolition single-photon-number-resolving detector (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro, K.Nemoto, R.G.Beausoleil, T.P.Spiller
  • 雑誌名: Physical Review A 71 ページ: 033819
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Weak nonlinearities : a new route to optical quantum computation (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro, K.Nemoto, T.P.Spiller
  • 雑誌名: New Journal of Physics 7 ページ: 137
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Symmetry analyser for nondestructive Bell-state detection using weak nonlinearities (2005)
  • 著者名/発表者名: S.D.Barrett, P.Kok, K.Nemoto, R.G.Beausoleil, W.J.Munro, T.P.Spiller
  • 雑誌名: Physical Review A 71 ページ: 060302(R)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Efficient optical quantum information processing (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro, K.Nemoto, T.P.Spiller, S.D.Barrett, P.Kok, R.G.Beausoleil
  • 雑誌名: Journal of Optics B : Quantum and Semiclassical Optics 7 ページ: S135-S140
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Controlling the Spontaneous Emission Rate of Single Quantum Dots in a Two-Dimensional Photonic Crystal (2005)
  • 著者名/発表者名: D.Englund, D.Fattal, E.Waks, G.Solomon, B.Zhang, T.Nakaoka, Y.Arakawa, Y.Yamamoto, J.Vukovic
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 013904
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Photon Correlation Studies of Single GaN Quantum Dots (2005)
  • 著者名/発表者名: C.Santori, S.Gotzinger, Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 87 ページ: 051916
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Optical quantum information processing utillzing weak nonlinearities : a little goes a long way (2005)
  • 著者名/発表者名: W.J.Munro, K.Nemoto, T.P.Spiller, R.G.Beausoleil, P.Kok, S.D.Barrett
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 5893 ページ: 110
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Universal quantum computation on the power of quantum non-demolition measurements (2005)
  • 著者名/発表者名: K.Nemoto, W.J.Munro
  • 雑誌名: Physics Letters A 344 ページ: 104-110
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Coherent Population Trapping of Electron Spins in a High-Purity n-Type GaAs Semiconductor (2005)
  • 著者名/発表者名: K.C.Fu, C.Santori, C.Stanley, M.C.Holland, Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 187405
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum Non-demolition Measurements : a new resource for making linear logic scalable (2004)
  • 著者名/発表者名: C.Santori
  • 雑誌名: Fortschritte der Physik 52 ページ: 1180-1188
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Quantum Non-demolition Measurements : a new resource for making linear logic scalable (2004)
  • 著者名/発表者名: Kae Nemoto
  • 雑誌名: Proceedings of the seventh international conference on Quantum Communication, AIP conference proceeding 734 ページ: 207-210
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Entanglement convertibility for infinite-dimensional pure bipartite states (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Owari
  • 雑誌名: Physical Review A 70 ページ: 050301(R)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nearly Deterministic Linear Optical Controlled-NOT Gate (2004)
  • 著者名/発表者名: Kae Nemoto
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 250502
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Generation of single photons and correlated photon pairs using InAs quantum dots (2004)
  • 著者名/発表者名: C.Santori, D.Fattal, J.Vuckovic, G.S.Solomon., Y.Yamamoto
  • 雑誌名: Fortschritte der Physik 52 ページ: 1180-1188
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Quantum Non-demolition Measurements : a new resource for making linear logic scalable (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Nemoto, W.J.Munro, T.P.Spiller, R.G.Beausoleil
  • 雑誌名: Proceedings of the seventh international conference on Quantum Communication(AIP conference proceeding) 734 ページ: 207-210
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Entanglement convertibility for infinite-dimensional pure bipartite states (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Owari, K.Matsumoto, M.Murao
  • 雑誌名: Physical Review A 70 (Rapid communication) 050301(R)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Nearly Deterministic Linear Optical Controlled-NOT Gate (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Nemoto, W.J.Munro
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 250502
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より