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2023 年度 実施状況報告書

単一光検出器を用いた非古典光のコヒーレント検波

研究課題

研究課題/領域番号 22K03490
研究機関国立研究開発法人情報通信研究機構

研究代表者

逵本 吉朗  国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所小金井フロンティア研究センター, 研究員 (80807470)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード量子光学 / 量子情報 / 単一光子 / 量子通信 / 量子情報処理 / パラメトリック下方変換
研究実績の概要

本研究では、単一光子に対する高分解能周波数測定技術を確立することを目標に研究を行っている。この目標を達成するためには、(1) 単一光子検出器と微弱局発光を用いたヘテロダイン測定技術、(2) 狭帯域光子生成を実現する必要がある。今年度は、(2)に関して狭帯域光子対生成系を立ち上げその評価を行った。Type-IIの周期分極反転KTP(Periodically poled KTP, PPKTP)結晶に波長775nmの連続波レーザーを入力することで自発的パラメトリック下方変換(Spontaneous parametric down-conversion, SPDC)により中心波長1550nmの光子対を生成した。また、生成された光子対の線幅を狭窄化するため、波長1550nmの光に対して高い反射率を有するミラー2枚で構成されるファブリペロー共振器内にPPKTP結晶を配置した。これにより、共振器から出力された光子対の周波数分布は、共振器の透過スペクトルによって特徴づけられる。結晶の位相整合条件から、生成された光子対のうちシグナル光子が横偏光、アイドラ光子が縦偏光となるため、それらは偏光ビームスプリッターで空間的に分離することができる。分離したそれぞれの光子を超伝導単一光子検出器で検出し光子対の同時検出イベントの時間相関を調べると、櫛状の構造が確認でき、それぞれのピークの間隔は0.8ns程度であった。これは、共振器の自由スペクトル領域が1.25GHz程度であることに対応する。これにより、ほぼ共振器の設計通りの周波数スペクトルを持つ非古典光の生成に成功した。

現在までの達成度 (区分)
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

当初の研究計画通り、狭帯域光子源の立ち上げを行った。具体的には、周期分極反転KTP結晶を共振器の内部に配置し、775nmの連続波レーザーで励起することによって、狭帯域な光子対を生成した。また、生成された光子対の周波数特性は、共振器の設計値とよく一致していることを確認した。これにより、最終目標である非古典光の高分解能周波数測定実験を実施するための要素技術の準備が一通り完了したため、当初の計画通り順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

最終目標では、まず今回立ち上げた狭帯域光子源から生成された櫛状の周波数構造を持つ光子を周波数フィルタに通し、数モードだけを取り出す。次に、局発光と干渉させてヘテロダイン測定を行う。その際、現段階では、数モードだけを取り出した時の光子検出レートが不十分である可能性がある。そこで、共振器を構成するミラーの反射率に改良を加える予定である。具体的には、励起レーザーの波長(775nm)に対する反射率を高める。これによって、これまで共振器を素通りしていた励起レーザーが共鳴することにより、励起光強度が共振器内部で増強され、光子源の高輝度化が期待できる。さらに、共振器に反射された励起レーザーを使って共振器のロックも行えるというメリットもある。光子源の改良が確認でき次第、ヘテロダインによる高分解能周波数測定を実施する。

次年度使用額が生じた理由

物品費について、周波数フィルタ等の光学素子を光子対源の周波数特性評価の結果を見てから調達したかったために次年度使用額が生じた。これらの光学素子は、次年度にまとめて調達する計画である。

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Quantum interference of pulsed time-bin entanglement generated from silicon ring resonator2024

    • 著者名/発表者名
      Ono Takafumi、Tsujimoto Yoshiaki、Wakui Kentaro、Fujiwara Mikio
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 14 ページ: 1051

    • DOI

      10.1038/s41598-024-51311-4

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Hong-Ou-Mandel-interference-based quantum state tomography2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Tsujimoto, R. Ikuta, K. Wakui, T. Kobayashi and M. Fujiwara
    • 学会等名
      CLEO Conference on Lasers and Electro Optics /Europe-EQEC 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] 単一光子の非線形光学効果による量子ゲート操作2023

    • 著者名/発表者名
      逵本吉朗,和久井健太郎,岸本直,三木茂人,知名史博,藪野正裕,寺井弘高,関根徳彦,藤原幹生,加藤豪
    • 学会等名
      物理学会第73回年次大会
  • [学会発表] Versatile quantum state tomography of photonic states via Hong-Ou-Mandel interference2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Tsujimoto, R. Ikuta, K. Wakui, T. Kobayashi and M. Fujiwara
    • 学会等名
      応用物理学会 秋季応用物理学会学術講演会 JSAP-Optica Joint Symposia
    • 招待講演
  • [学会発表] Generation and manipulation of telecom photons towards quantum internet2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Tsujimoto
    • 学会等名
      Quantum innovation 2023
    • 招待講演
  • [学会発表] 単一光子レベルの非線形光学効果を利用した量子操作2023

    • 著者名/発表者名
      逵本吉朗, 和久井健太郎,岸本直,三木茂人,知名史博,藪野正裕,寺井弘高,関根徳彦,藤原幹生,加藤豪
    • 学会等名
      第49回量子情報技術研究会 (QIT49)

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公開日: 2024-12-25  

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