損失耐性のある量子測定の研究

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H04445
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山本 俊 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10403130)
• 研究分担者: 生田 力三 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (90626475) ; 小林 俊輝 大阪大学, 先導的学際研究機構, 特任助教(常勤) (60834091)
• 研究期間 (年度): 2021-04-05 – 2024-03-31
• キーワード: 量子光学 / 量子情報 / 量子通信 / 量子コンピュータ / 量子暗号 / 量子ネットワーク / 量子インターネット / 量子中継

研究実績の概要

本研究課題では、様々な物理系で実現される物質量子系を光でつなぐ「量子インターネット」の中核となる「損失耐性のある量子測定」の知見を得るための研究を行っている。空間的に局在したスタティックな量子系である原子やイオン等の量子状態を伝搬する光を介して遠隔地に運び、別の量子系との間にエンタングルメントを形成する量子インターネットは量子暗号などのセキュリティ通信、クラウド量子計算や長基線望遠鏡といった様々な量子技術を実現する万能な量子ネットワークである。この量子インターネット研究において、今後重要な課題となるのが、量子状態を運ぶ光の損失の指数関数的増大の抑制である。これには、多重化された光の量子状態に対する効率的な一般化量子測定が必須であり、光ファイバー通信波長帯で動作する必要がある。本研究課題では、特に核となる量子測定を通信波長帯で実現することを目指している。本年度は必要なリソースとなる通信波長帯のGHZ状態等の多光子エンタングルメント状態の生成に向けて、1560nmの短パルスレーザーの２倍波(780 nm)を励起光源としたパラメトリック変換を用いた高効率な通信波長帯の２光子エンタングル状態光源を開発した。さらに、パラメトリック下方変換を行う導波路型PPLNをサニャック干渉計に挿入することで、波長が非縮退（1541 nmと1580 nm）の偏光エンタングルメント光子対光源を準備した。これらに関連する低タイミングジッターの光子検出技術、多周波数モードの光子操作、光源のモジュール化についての進展も見られた。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

当初予定していた、1560nmの短パルスレーザーの２倍波(780 nm)を励起光源としたパラメトリック変換を用いた高効率な通信波長帯の２光子エンタングル状態光源が順調に動作している。また、パラメトリック下方変換を行う導波路型PPLNをサニャック干渉計に挿入することで、波長が非縮退（1541 nmと1580 nm）の偏光エンタングルメント光子対光源を準備しており、十分なパフォーマンスが期待される。

今後の研究の推進方策

さらなる安定化のために、反転分極周期が２パターンある type-II 導波路を設計・製作し、1541 nmと1580 nm の偏光エンタングル光子対生成を準備している。現状の方法、もしくは新しく開発する方法のいずれかの方法を用いて、量子もつれスワッピングやGHZ状態生成等の基本動作を確認する。

研究成果

• [雑誌論文] Optical Frequency Tweezers (2022)
  • 著者名/発表者名: Ikuta Rikizo、Yokota Masayo、Kobayashi Toshiki、Imoto Nobuyuki、Yamamoto Takashi
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 17 ページ: 034012～034012
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.17.034012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Entangled photon pair detection by superconducting nanowire single-photon detectors with a single-flux-quantum coincidence circuit (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Rintaro、Murakami Shoichi、Kobayashi Toshiki、Ikuta Rikizo、Miki Shigehito、Miyajima Shigeyuki、Yabuno Masahiro、China Fumihiro、Terai Hirotaka、Imoto Nobuyuki、Yamamoto Takashi
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 14 ページ: 102001～102001
  • DOI: 10.35848/1882-0786/ac211e
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] スタビライザー形式に基づく線形光学回路の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山崎友裕, 生田力三, 山本俊
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 光周波数ピンセット (2022)
  • 著者名/発表者名: 生田力三, 横田雅世, 小林俊輝, 井元信之, 山本俊
  • 学会等名: 日本物理学会 第77回年次大会
• [学会発表] 量子インターネットから量子サイバースペース (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本俊
  • 学会等名: 第36回 大阪大学大学院基礎工学研究科 産学交流会
  • 招待講演
• [学会発表] A fiber-coupled frequency converter based on a PPLN waveguide for quantum internet (2021)
  • 著者名/発表者名: Shoichi Murakami, Rintaro Fujimoto, Toshiki Kobayashi, Rikizo Ikuta,, asuka inoue, takeshi umeki, ryoichi kasahara, tetsuya mukai, shigehito miki, Shigeyuki Miyajima, Masahiro Yabuno, Fumihiro China, Hirotaka Terai, Nobuyuki Imoto, Takashi Yamamoto
  • 学会等名: 第45回量子情報技術研究会(QIT45)
• [学会発表] スタビライザー形式に基づく線形光学回路の解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: Tomoki Yamazaki, Rikizo Ikuta, Takashi Yamamoto
  • 学会等名: 第45回量子情報技術研究会(QIT45)
• [学会発表] ネットワーク型量子コンピュータ/量子インターネットの研究開発について (2021)
  • 著者名/発表者名: 山本俊
  • 学会等名: 一般社団法人 電子情報技術産業協会 非ノイマン型情報処理へ向けたデバイス技術分科会
  • 招待講演