| 研究課題/領域番号 |
19K03703
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| 研究機関 | 学習院大学 |
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研究代表者 |
平野 琢也 学習院大学, 理学部, 教授 (00251330)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | スクイージング / エンタングルメント / 光導波路 / 空間位相変調器 / 機械学習 / ホモダイン検出 / スクイーズド状態 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、パルス光と光導波路中のパラメトリック増幅を用い、 空間位相変調器により空間モードを制御することにより、パルス光と光導波路を用いるエンタングルメント生成の質の向上を実現することである。エンタングルメントの生成と制御は、現代の科学の最も重要な課題の一つであり、量子情報処理や量子計測を社会で現実に使われる技術とするために、光の量子状態を制御し、エンタングルした光を生成、検出する技術が必要である。パルス光の高い瞬間強度を利用し、周期分極反転光導波路中のシングルパスの光パラメトリック増幅によりスクイージングとエンタングルメントを生成する手法は最も有望な方法でありながら、従来は、空間モードの制御が不十分なために、質の高いエンタングルメ ントを実現することができていなかった。2019年度は、パルス光を用いた質の高いエンタングルメントの生成について研究を進めた。研究実績の概要は以下の通りである(A. Shinjo, et al., Opt. Express 27, 17610 (2019).)。本論文では、波長1064nm、繰り返し周波数86.6MHzのモード同期レーザーを光源として用い、周期分極反転したニオブ酸リチウム光導波路中のパラメトリック増幅によりスクイーズド状態を発生し、２つのスクイーズド状態の光ビームを半透鏡で重ね合わせてエンタングルメントを生成した。そして、パルス一つを一つのモードとして、パルス毎に一つの直交位相振幅値を測定する時間領域のホモダイン検出により、EPRパラドックス及び量子ステアリングの実験的な実証を時間領域の測定で初めて実現したことを報告した。測定された２つの直交位相振幅の和と差の分散の積の値は0.82と基準値の１を下回っており、パルス光による時間領域のエンタングルメントでは最良の結果である。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
2019年度は空間位相変調器を購入し、光導波路の出力ビームの空間モードを制御し、もう一つの光導波路の出力ビームとの干渉ビジビリティを改善する計画であった。しかし、光源として用いる予定であったパルスレーザーの空間モードが乱れていることが分かったため、出力ファイバーの交換のために修理を依頼したが、修理不能となり、代替のパルスレーザーを入手する必要が生じ、実験の進行に遅延が発生した。この遅延は、実験計画と実験協力者を見直すことにより、カバーすることとした。実験計画については、本研究の観点からは予備実験に位置付けられる光学系を本研究に使用することにした。導波路の出力ビームの空間モードの乱れは、導波路自身の構造的な乱れによるものと考えられ、その観点から、レーザーの波長は長い方が望ましい。また、通信波長帯のエンタングルメントを実現することができれば、エンタングリングクローナ―攻撃の実証等の量子通信の応用につなげることができる。しかし、上記の問題のため、波長1064nmの光源を用いて研究を進めることにした。また、修士1年生が新たに研究協力者とし研究に参加した。空間位相変調器については、本研究の交付予算による購入が予算額の関係から難しく、大学内で配分された別の予算により購入した製品を用いることにした。これらの方策により、2020年度の上期までに、申請時の計画に沿って、研究を進めることができるように計画した。2019年度下期は、光学系の整備を進めた。具体的には、これまで別の実験に用いていた光学系では、スクイーズド状態を生成する２つの疑似位相整合導波路同士の出力ビーム同士は、高いビジビリティが得られている一方、ホモダイン検出に用いるLO光ビームとのビジビリティが低いということがあり、これらのビームの入出力に用いている非球面レンズの仕様を確認し、導波路へのカップリング実験を進めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究は当初の計画に沿って進める。具体的には以下の通りである。2020年度は光学系の構築、空間位相変調器の制御手法の開発、機械学習の準備作業を進め、ビジビリティの向上の実現を目指す。研究の実施は、研究代表者が全体の研究を総括し、研究協力者として、修士課程2年生の学生1名、卒業研究の学生1名の体制で行う。光学系の構築については、昨年度進めた光学部品の仕様の確認作業を完了し、光導波路へのカップリングの最適化を行い、ビジビリティの改善を試みる。パラメトリック増幅によりスクイーズド状態を発生するための疑似位相整合ニオブ酸リチウム光導波路をPPLN1とPPLN2とし、LO光の時間波形整形を行う光導波路をPPLNLOとする。相関の強いエンタングルメントを実現するためには、これら3つの全ての組み合わせで高いビジビリティを実現する必要がある。実験では、まずPPLN1とPPLNLOとのビジビリティを改善し、次に、PPLN2とPPLNLO、PPLN1とPPLN2のビジビリティについて取り組む。これらと並行して、空間位相変調器の制御手法の開発、機械学習の準備作業を行う。空間位相変調器としては、浜松ホトニクス社の製品を用いる。本製品はデジタル映像出力にビットマップ画像を出力することにより、各画素の位相変調量を制御する仕組みであるので、所望のビットマップ画像の作成手法、各画素の位相変調量の構成、空間モード制御の確認の順番で実験を進める。機械学習の準備作業については、どのようなデータを用いるか、フレームワークの選択等について具体的な検討を進める。また、2年度目は、2台目の空間位相変調器を購入する予定であったが、繰り越し分を含めても今年度内の予算は容易ではないので、上記のビジビリティの測定結果を踏まえて、１つの空間変調器のみを用いる方式や、3年度分目の予算も加えた購入などの検討を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
本研究に用いる予定であったレーザー光源が故障したため、光学系の構築作業が遅れ、その結果研究経費の一部を繰り越した。繰り越した金額は、本研究の遂行に必要な光学部品を購入するために使用予定である。2020年度分として請求した助成金とあわせて、高性能の空間位相変調器を購入することについても検討を行うが、光学系の構築にも非球面レンズやミラー等の光学部品や電気部品等が必要であるため、より必要性の高い支出を検討し、本研究計画の目的の達成を目指す。
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