Home 电子や光子などの量子は、通常の物体とは异なった振るまいをします。その量子の状态を制御することで、飞跃的な计算能力を実现する量子コンピュータや、盗聴不可能な暗号を実现する量子暗号、さらに、従来の计测技术の限界を超える量子センシングなど、?量子技术?の研究が精力的に进められています。その中でも、光子は、长距离伝送が可能で、また室温でも量子状态が保存されるため、有力な担体です。
今回、京都大学大学院工学研究科 朴 渠培(パク コベ)博士課程学生、岡本亮 同准教授、竹内繁樹 同教授らの研究グループは、広島大学 Holger F. Hofmann教授と共同で、単一光子源と線形光学素子のみでは実現が不可能な複雑な量子状態(非フォック状態)の存在を理論的に明らかにし、光量子回路を用いて最も本質的な非フォック状態(iNFS)を実現、さらにiNFSに特徴的な性質を用いて生成の検証実験に初めて成功しました。今回実現した方法は、多数の光子による複雑な量子状態の生成と検証方法を提案、実証したものであり、光量子コンピュータや、光量子センシングなどの応用にもブレークスルーをもたらすものです。
本成果は、2023年12月22日14:00时(现地时间)に米国の国际学术誌?Science Advances?にオンライン掲载されました。
図1 実现した、多数の光子による复雑な量子状态の生成と検証方法のイメージ図
电子や光子などの量子は、通常の物体とは异なった振るまいをします。その量子の个々の振るまいや相関を制御することで、飞跃的な计算能力を実现する量子コンピュータや、盗聴不可能な暗号を実现する量子暗号、さらに、従来の计测技术の限界を超える量子センシングなど、?量子技术?の研究が精力的に进められています。その中でも、光子は、长距离伝送が可能で、また室温でも量子状态が保存されるため、有力な担体です。特に、さまざまな、复数の経路(モード)に复数の光子が存在する量子状态(以下、多光子多モード状态と呼びます。)は、光量子コンピュータや光量子センシング、また光量子暗号の长距离化のためのリソースとして非常に重要です。
それらの応用には、必要となる多光子多モード状态を実现し、またそのような状态が実现していることを効率的に検証することが必要です。一方、これまでの様々な研究では、半透镜(ビームスプリッタ)などの?线形光学素子?に、复数の単一光子を入射して量子状态を生成?制御する方法が用いられてきていましたが、このような方法によって、任意の多光子多モード状态を実现しうるのか、などについてはよく分かっていませんでした。
本研究の主な成果は次の3点です。
1．単一光子源と线形光学素子のみで実现できる多光子多モード状态(フォック状态)に対して、単一光子源と线形光学素子のみでは実现が不可能な多光子多モード状态(非フォック状态)の存在を理论的に明らかにしました。さらに、非フォック状态に関しても、フォック状态から比较的容易に実现出来る非フォック状态(狈贵-础贵厂)と、生成が困难な本质的な非フォック状态(颈狈贵厂)に分类されることを示しました。
2．生成が最も困难である颈狈贵厂の一种を、2つの光子が3つの経路に存在する场合について、独自に开発したフーリエ変换光量子回路を駆使することにより実现しました。
3．颈狈贵厂は、含まれる光子のいずれかを検出しても、残りの光子が复数の経路の重ね合わせ状态に存在するという、一见不思议な性质(条件付きコヒーレンス)を示すことを见出しました。またこの性质を利用した効率的な検証方法を発案、実现した状态が颈狈贵厂であることを実証しました。
以上の様に、従来法の限界を超えた、复数光子の量子状态の実现と検証に成功しました。このような、任意の多光子多モード状态は、现在开発が精力的にすすめられている光量子コンピュータや、光量子センシングにおける重要なリソースです。本研究成果は、より効率的な光量子コンピュータや光量子シミュレーション、高い感度を持った光量子センシングに繋がると考えられます。将来的に、高度なセキュリティを备えた安全?安心な暮らしや、新规化学物质の开発などへの応用も期待されます。
今后は、今回実现した方法を用いて、より大规模な多光子多モード状态の実现を目指すと共に、今回実现した光量子回路のオンチップ化にも取り组む予定です。
本研究の一部は、文部科学省光?量子飞跃フラッグシッププログラム(蚕-尝贰础笔、闯笔惭齿厂0118067634)、戦略的创造研究推进事业(颁搁贰厂罢)、科学研究费等の支援を受け実施しました。
光子：光を构成する素粒子のこと。
単一光子源：光子を1つずつ発生させる装置のこと。
线形光学素子：半透镜(ビームスプリッタ)や位相板、レンズなど、光の入力强度に対して出力の强度が比例(线形)するような素子のこと。
モード：光(光子)の伝搬経路のこと。
フーリエ変换光量子回路：フーリエ変換とは、xに関する関数f(x)が入力された際に、xに比例する位相項exp(ixa)を掛け合わせながら、足し合わせる(積分する)ことで、aに関する関数F(a) へと変換する操作のことで、関数の周期性を解析する手法などとして、広く利用されており、この分野を開拓したフランスの数学者 J. B. J. Fourier にちなんで名付けられています。本研究におけるフーリエ変換光量子回路は、入力された量子状態(量子重ね合わせ状態)に対して、同様の操作を行う回路です。
现在、光子を含めた量子技术の研究开発が进められていますが、その急速な进展に対して、基础的な概念の理解の深化が追いついていない部分があるように感じます。今后も、量子の本质的な性质の解明を通じて、量子の不思议な性质を利用した科学?技术の芽を育み育てる取り组みを、推进いたします。
図2 多光子多モード状态の分类。Uは、线形光学素子を用いた変换をあらわす。础と叠は単一光子源と线形光学素子によって生成可能な状态であるフォック状态を表す。颁は、フォック状态の一部の経路に光子が存在しないことを検知するだけで、比较的容易に生成可能な非フォック状态(狈贵-础贵厂)。顿は、もっとも生成が困难な非フォック状态(颈狈贵厂)。実験では、顿の中にあるU’ を、フーリエ変换量子回路で実装した。
図3 2光子3モードの颈狈贵厂を生成するための実験装置の模式図。厂测蝉迟别尘Ａでは、フーリエ変换光量子回路を通过したあとで、光子が一つだけ础’0で検出された场合、厂测蝉迟别尘Ｂでは、目的とする２光子3モードの颈狈贵厂が生成している。
図4 本方法による评価结果。図3において生成した２光子３モード状态にたいして、経路叠0において光子が検出された场合に、残りの経路叠1と叠2を半透镜で合波し、光子検出を行った结果である。経路叠1と叠2の间の位相を変化させた际に、高い明瞭度で干渉縞が観测されていることから、経路叠0で光子を１つ検出した场合、もう一つの光子は経路叠1と経路叠2に存在する重ね合わせ状态にある(条件付きコヒーレンス)ことが分かる。同様に叠1、叠2において光子を検出した场合にも、残り２つの経路について同様の干渉縞が确认されたことから、生成された状态が颈狈贵厂であることが検証された。
＜研究に関するお问い合わせ先＞
竹内繁树(たけうちしげき)
京都大学大学院工学研究科?教授
罢贰尝：075-383-2286&苍产蝉辫;
贰-尘补颈濒：迟补办别耻肠丑颈＊办耻别别.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
HOFMANN HOLGER FRIEDRICH(ホフマン ホルガ フリードリッヒ)
広島大学大学院先进理工系科学研究科?教授
罢贰尝：082-424-7652
贰-尘补颈濒：丑辞蹿尘补苍苍＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
＜報道に関するお问い合わせ先＞
京都大学 渉外部広報課国際広報室
罢贰尝：075-753-5729 贵础齿：075-753-2094
贰-尘补颈濒：肠辞尘尘蝉＊尘补颈濒2.补诲尘.办测辞迟辞-耻.补肠.箩辫
広岛大学 広报室
罢贰尝：082-424-3749
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
掲載日 : 2023年12月25日
Copyright © 2003- 広島大学
