異種多体系量子操作の基盤技術の開拓

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25247068
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 井元 信之 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (00313479)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子エレクトロニクス / 量子情報処理 / 量子通信 / 量子コンピューター / 量子暗号

研究実績の概要

異種物理系間の量子インターフェースの開発に向けた研究および多体量子系における理論や操作の探求を目的とする。まず異種物理系間の量子インターフェースにおいては、量子通信で用いられる光の波長領域である通信波長と量子メモリーで用いられる可視・近赤外波長間の波長変換が重要である。H25年度は通信波長と近赤外光の変換を完成させたが、今年度は通信波長とダイヤモンドNVセンターの波長（可視）間の変換実験に初めて成功した[Opt.Exp. 出版]。近赤外の方は実際のルビジウム原子を用いる布石としてルビジウム原子のトラッピング系を立ち上げ、発光測定に至った。
また可視近赤外領域で2003年に行われた「エンタングルメント蒸留」が通信波長帯では実現していなかった。これは背景光による困難のためである。我々は詳細な原因分析により今年度実証実験にこぎつけた。来年度の論文出版に向けて今年度プレプリントを公開した。これらの実験では超伝導光子検出器を用いているが、検出器と光の結合効率を上げる必要がある。そのための実験の論文を今年度出版した[IEEE Trans. Appl. Supercon.]。
量子暗号においてユーザーの量子インターフェースが攻撃される危険が最近指摘されており、これを避けるユーザーの量子測定に依存しない量子暗号が注目されている。我々は新奇な方法を提案し、理論提案の論文を出版した[Sci. Rep.]。
次に多体量子系における理論として、シュウィンガー機構による対生成を、2次元系を対象として「量子弱値」で説明することに成功し論文を発表した[New J. Phys.]。多体量子系で重要な分配関数を計算することは一般に計算困難である。その近似計算を行うアルゴリズムを提案し論文を出版した[PRA]。また量子トモグラフィー効率を最適化する方法{PRA}およびスピン系でも提案しプレプリントを公開した。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

今年度当初、計画として３点を挙げた。まず「(1)ラマン散乱等に起因する背景光の少ない波長を探索すべく背景光の波長依存性を測定する実験系を構築する」であるが、研究実績の概要に書いた通り、それを上回って通信波長帯でエンタングルメント蒸留が困難だった原因分析にこぎつけ、実証実験の論文プレプリントpublishまで至った。もう一点、同様に背景光の問題でルビジウム波長より不利なダイヤモンドNVセンターの波長での実験にも成功し、査読付き論文の出版に至った。
次に「(2)冷却ルビジウム原子系の検討および構築を行う」であるが、これも研究実績の概要に書いた通り、それを上回ってトラッピングを達成し発光測定に至った。
最後に「(3)多体量子状態の生成方法を探求し光子系を用いた実証実験を行う」であるが、これは遅れている。（しかし多体量子状態の分配関数計算アルゴリズムの理論のPRA論文の出版は行った。）
以上のように、当初計画より上回っている項目が３件、遅れているのが１件で、総合的に「上回っている」と自己判定した。

今後の研究の推進方策

最終年度であるH27年度は以下のように進める。
異種物理系間の量子インターフェース関連では今年度立ち上げたトラップしたルビジウム原子から発光する光子を用いて量子通信実験を行う。通信波長帯におけるエンタングルメント蒸留実験については査読付き論文誌での出版をめざす。
測定無依存量子暗号については、これまでの「無限長鍵」を仮定した理論を一歩現実に即したものに進め、「有限長鍵」の理論を提唱する。
シュウィンガー機構による対生成現象を「量子弱値」で説明する研究については、今年度行った2次元系での理論を進めて他次元（1次元や3次元）へ、また粒子の質量もゼロと有限の両方の場合を扱う。
多体量子系を用いた量子情報処理については、ブラインド量子計算（量子計算をしたいが量子コンピューターを持っていないユーザーが量子コンピューターを持っているサーバー企業にクラウド的に依頼するにあたって、解きたい問題や入力データがわからないように依頼する）の理論研究を進める。

研究成果

• [雑誌論文] Fabrication and Characterization of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors on Si Waveguide (2015)
  • 著者名/発表者名: Kentaro Waki, Taro Yamashita, Shin-ichiro Inoue, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Rikizo Ikuta, Takashi Yamamoto, and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY 巻: 25 ページ: 2200704-1-4
  • DOI: 10.1109/TASC.2014.2385836
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Frequency down-conversion of 637 nm light to the telecommunication band for non-classical light emitted from NV centers in diamond (2014)
  • 著者名/発表者名: Rikizo Ikuta, Toshiki Kobayashi, Shuto Yasui, Shigehito Miki, Taro Yamashita, Hirotaka Terai, Mikio Fujiwara, Takashi Yamamoto, Masato Koashi, Masahide Sasaki, Zhen Wang, and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 22 ページ: 11205-11214
  • DOI: 10.1364/OE.22.011205
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Measurement-device-independent quantum key distribution for Scarani-Acin-Ribordy-Gisin 04 protocol, (2014)
  • 著者名/発表者名: Akihiro Mizutani, Kiyoshi Tamaki, Rikizo Ikuta, Takashi Yamamoto and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 4 ページ: 5236-1-9
  • DOI: 10.1038/srep05236
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A weak-value model for virtual particles supplying the electric current in graphene: the minimal conductivity and the Schwinger mechanism (2014)
  • 著者名/発表者名: Kazuhiro Yokota and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: New Journal of Physics 巻: 16 ページ: 073003-1-15
  • DOI: 10.1088/1367-2630/16/7/073003
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Quantum algorithm for an additive approximation of Ising partition functions (2014)
  • 著者名/発表者名: Akira Matsuo, Keisuke Fujii, and Nobuyuki Imoto
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 90 ページ: 022304-1-16
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.90.022304
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optimal two-qubit tomography based on local and global measurements: Maximal robustness against errors as described by condition numbers (2014)
  • 著者名/発表者名: Adam Miranowicz, Karol Bartkiewicz, Jan Perina, Jr., Masato Koashi, Nobuyuki Imoto, and Franco Nori
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 90 ページ: 062123-1-12
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.90.062123
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 掌性を伝達する量子プロトコル (2015)
  • 著者名/発表者名: 小川拓真，山本俊，安藤誠，生田力三，北野正雄，小芦雅斗，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] ボトル共振器を用いた光パルスの群速度制御に関する実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 浅野元紀，竹内勇貴，Sahin Kaya Ozdemir，生田力三，山本俊，Lan Yang，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学 早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [学会発表] A weak-value interpretation of the Schwinger mechanism (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Yokota
  • 学会等名: International Workshop on Weak Value and Weak Measurement
  • 発表場所: Tokyo Institute of Technology, Meguro, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-03-19 – 2015-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] 時間分解同時測定による高明瞭度のHong-Ou-Mandel干渉実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 田中元基，逵本吉郎，杉浦幸大，生田力三，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生，山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，Zhen Wang，井元信之
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] フォトニックメタマテリアルを用いたエンタングルメント蒸留実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 浅野元紀，Muriel Bechu，Mark Tame，Sahin Kaya Ozdemir，生田力三，Durdu O Guney，山本俊，Lan Yang，Martin Wegener，井元信之
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 導波路結合型超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の開発III (2015)
  • 著者名/発表者名: 和木健太朗，山下太郎，井上振一郎，三木茂人，寺井弘高，生田力三，山本俊，井元信之
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学 湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Entanglement Web Expansion (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Imoto
  • 学会等名: The 8th Asia Pacific Conference & Workshop on Quantum Information Science (APCWQIS 2014)
  • 発表場所: National Cheng Kung University, Tainan, Taiwan
  • 年月日: 2014-12-12 – 2014-12-15
  • 招待講演
• [学会発表] Demonstration of Entanglement Distillation with Photonic Metamaterial (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Asano, M. Bechu, M. Tame, D. O. Guney, S. K. Ozdemir, R. Ikuta, T. Yamamoto, L. Yang, M. Wegener, N. Imoto
  • 学会等名: The 1st international symposium on interactive materials science cadet program (iSIMSC)
  • 発表場所: Hotel Hankyu Expo Park, Suita, Osaka
  • 年月日: 2014-11-16 – 2014-11-19
• [学会発表] Observation of Slow and Fast Light in a Bottle Microresonator (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Takeuchi, M. Asano, S. K. Ozdemir, R. Ikuta, T. Yamamoto, L. Yang, N. Imoto
  • 学会等名: The 1st international symposium on interactive materials science cadet program (iSIMSC)
  • 発表場所: Hotel Hankyu Expo Park, Suita, Osaka
  • 年月日: 2014-11-16 – 2014-11-19
• [学会発表] Observation of a high visibility Hong-Ou-Mandel interference via a time-resolved coincidence measurement (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsujimoto, Y. Sugiura, M. Tanaka, R. Ikuta, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, T. Yamamoto, M. Koashi, M. Sasaki, Z. Wang, and N. Imoto
  • 学会等名: The 1st international symposium on interactive materials science cadet program (iSIMSC)
  • 発表場所: Hotel Hankyu Expo Park, Suita, Osaka
  • 年月日: 2014-11-16 – 2014-11-19
• [学会発表] Entanglement Distillation with Photonic Metamaterial (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Asano, M. Bechu, M. Tame, D. O. Guney, S. K. Ozdemir, R. Ikuta, T. Yamamoto, L. Yang, M. Wegener, N. Imoto
  • 学会等名: 12th International Conference on Quantum Communication, Measurement, and Computing (QCMC 2014)
  • 発表場所: University of Science and Technology of China, Hefei, China
  • 年月日: 2014-11-01 – 2014-11-09
• [学会発表] Frequency conversion of single photons preserving quantum information (2014)
  • 著者名/発表者名: 井元信之
  • 学会等名: 理研-東大-阪大ジョイントセミナー
  • 発表場所: 大阪大学中之島センター・佐治敬三メモリアルホール（大阪市北区）
  • 年月日: 2014-10-16 – 2014-10-17
  • 招待講演
• [学会発表] 導波路結合型超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の作製と評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 和木健太朗，山下太郎，井上振一郎，三木茂人，寺井弘高，生田力三，山本俊，井元信之
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
  • 発表場所: 東北大学 電気通信研究所（宮城 県仙台市青葉区）
  • 年月日: 2014-10-15 – 2014-10-16
• [学会発表] 可視-通信波長光子対を用いたエンタングルメント抽出実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 杉浦幸大，逵本吉朗，勝瀬大祐，安藤誠，生田力三，山本俊，小芦雅斗，井元信之
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学 札幌キャンパス（北海道札幌市北区）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 弱値によるグラフェンの電気輸送モデル (2014)
  • 著者名/発表者名: 横田一広，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 微弱コヒーレント光を用いた入力光の位相を保持する部分波長変換器の実証実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 生田力三，小林俊輝，加藤大織，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生，山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，王鎮，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 波長自由度のビームスプリッターを用いた二光子干渉実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林俊輝，安井崇人，生田力三，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生，山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，王鎮，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] ダイヤモンド中のNV中心のための637nmから通信波長帯への波長変換実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 安井崇人，生田力三，小林俊輝，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生，山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，王鎮，井元信之
  • 学会等名: 日本物理学会第68回年次大会
  • 発表場所: 中部大学 春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Fabrication and characterization of waveguide-coupled superconducting nanowire single-photon detectors on silicon-on-insulator substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Waki, T. Yamashita, S. Inoue, S. Miki, H. Terai, R. Ikuta, T. Yamamoto, N. Imoto
  • 学会等名: Physics of Quantum Information Processing (Satellite workshop at Osaka University of AQIS 2014 (Kyoto))
  • 発表場所: Sigma Hall (Engineering Science Int. Bldg.), Osaka University, Toyonaka, Osaka
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-26
• [学会発表] Observation of Hong-Ou-Mandel interference by using a frequency-domain beamsplitter (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kobayashi, S. Yasui, R. Ikuta, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, T. Yamamoto, M. Koashi, M. Sasaki, Z. Wang, N. Imoto
  • 学会等名: Physics of Quantum Information Processing (Satellite workshop at Osaka University of AQIS 2014 (Kyoto))
  • 発表場所: Sigma Hall (Engineering Science Int. Bldg.), Osaka University, Toyonaka, Osaka
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-26
• [学会発表] Experimental extraction of an entangled photon pair at a telecom wavelength (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Tsujimoto, Y. Sugiura, M. Ando, D. Katsuse, R. Ikuta, T. Yamamoto, M. Koashi, N. Imoto
  • 学会等名: Physics of Quantum Information Processing (Satellite workshop at Osaka University of AQIS 2014 (Kyoto))
  • 発表場所: Sigma Hall (Engineering Science Int. Bldg.), Osaka University, Toyonaka, Osaka
  • 年月日: 2014-08-25 – 2014-08-26
• [学会発表] Measurement-device-independent quantum key distribution for Scarani-Acin-Ribordy-Gisin 04 protocol (2014)
  • 著者名/発表者名: A. Mizutani, K. Tamaki, R. Ikuta, T. Yamamoto, N. Imoto
  • 学会等名: 14th Asian Quantum Information Science Conference (AQIS 2014)
  • 発表場所: Shirankaikan, Sakyo, Kyoto, Kyoto
  • 年月日: 2014-08-20 – 2014-08-24
• [学会発表] Fabrication and characterization of waveguide-coupled superconducting nanowire single-photon detectors on silicon-on-insulator substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Waki, T. Yamashita, S. Inoue, S. Miki, H. Terai, R. Ikuta, T. Yamamoto, N. Imoto
  • 学会等名: Applied Superconductivity Conference 2014 (ASC2014)
  • 発表場所: Charlotte Convention Center, Charlotte, NC, USA
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Frequency conversion of single photons with high-fidelity quantum information preservation (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Imoto
  • 学会等名: 23rd annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'14)
  • 発表場所: Sofia, Bulgariia
  • 年月日: 2014-07-14 – 2014-07-18
  • 招待講演
• [学会発表] トロイド型微小光共振器を用いた光パルスの群遅延の観測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 浅野元紀，Sahin Kaya Ozdemir，生田力三，山本俊，井元信之，Lang Young
  • 学会等名: 第11回AMO討論会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-07
• [学会発表] 単一光子レベルで入力光のコヒーレンスを保持する部分波長変換器の実証 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林俊輝，生田力三，加藤大織，三木茂人，山下太郎，寺井弘高，藤原幹生， 山本俊，小芦雅斗，佐々木雅英，王鎮，井元信之
  • 学会等名: 第11回AMO討論会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-07
• [学会発表] 通信波長光子を用いたエンタングルメント抽出実験 (2014)
  • 著者名/発表者名: 逵本吉朗，勝瀬大祐，安藤誠，生田力三，山本俊，小芦雅斗，井元信之
  • 学会等名: 第11回AMO討論会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-07
• [学会発表] Measurement-device-independent quantum key distribution for Scarani-Acin-Ribordy-Gisin 04 protocol (2014)
  • 著者名/発表者名: 水谷明博，玉木潔，生田力三，山本俊，井元信之
  • 学会等名: 第11回AMO討論会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-07
• [学会発表] コヒーレントな単一光子波長変換による量子インターフェース (2014)
  • 著者名/発表者名: 山本俊
  • 学会等名: 第11回AMO討論会
  • 発表場所: 大阪大学 豊中キャンパス（大阪府豊中市）
  • 年月日: 2014-06-06 – 2014-06-07
  • 招待講演
• [学会発表] Frequency conversion - towards hybrid quantum information processing (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Imoto
  • 学会等名: Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms and photons (Quantum 2014)
  • 発表場所: INRIM, Turin, Italy
  • 年月日: 2014-05-26 – 2014-05-30
  • 招待講演
• [学会発表] Two-state formalism (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Imoto
  • 学会等名: The V Jubilee KCIK Symposium
  • 発表場所: National Quantum Information Centre in Gdansk, Sopot, Poland
  • 年月日: 2014-05-22 – 2014-05-24
  • 招待講演
• [学会発表] Measurement device independent quantum key distribution for SARG04 (2014)
  • 著者名/発表者名: 水谷明博，玉木潔，生田力三，山本俊，井元信之
  • 学会等名: 第30回量子情報技術研究会 (QIT30)
  • 発表場所: 名古屋大学 東山キャンパス（名古屋市千種区）
  • 年月日: 2014-05-12 – 2014-05-13
• [学会発表] A weak-value model for virtual particles supplying the electric current in graphene (2014)
  • 著者名/発表者名: 横田一広，井元信之
  • 学会等名: 第30回量子情報技術研究会 (QIT30)
  • 発表場所: 名古屋大学 東山キャンパス（名古屋市千種区）
  • 年月日: 2014-05-12 – 2014-05-13
• [備考] 井元研究室
  • URL: http://www.qi.mp.es.osaka-u.ac.jp/index-j.html
• [備考] 井元信之のホームページ
  • URL: http://www.qi.mp.es.osaka-u.ac.jp/personal/imoto/index-j.html