北大、古典理論限界を超えた感度を有する「量子もつれ顕微鏡」を実現

図1 (a)は微分干渉顕微鏡。偏光プリズムによって、光を2つの偏光(赤:垂直偏光、青:水平偏光)の光線に分離、その2つの光がサンプルのわずかに異なる点を通過する。それら2つの光線を、再度偏光プリズムで合波すると、古典的な光の干渉により、その2つの光線の光路長の差を検知することができる。ただし、その精度には、標準量子限界と呼ばれる古典理論による限界が存在する。(b)は量子もつれ顕微鏡。先ほどの普通の光の代わりに、「垂直偏光が2光子存在」と「水平偏光が2光子存在」という量子もつれ光を光源として利用する。すると、偏光プリズムで合波した際に生じる量子干渉信号は、光路長の差に対する信号の変化が、通常の光の場合よりもさらに鋭敏になる。その結果、古典理論による限界を超えた精度を達成することが可能になる。(c)～(e)は微分干渉顕微鏡および量子もつれ顕微鏡での信号取得の様子。2つの光線が同じ厚みを通る(c)と(e)の場合に対し、異なる厚み(d)を通る場合に信号が変化する

図2 (a)は実験装置図。ポンプ光(水色)によって励起された、2枚のホウ酸バリウム結晶(BBO)のそれぞれから、量子もつれ光子対が発生する。発生した量子もつれ光子対は、光ファイバによって微分干渉顕微鏡部に導入される。微分干渉顕微鏡部では、方解石(カルサイト)を用いて偏光成分ごとに2つの光路に分離され、サンプルに入射される。サンプルを透過した量子もつれ光は、方解石によって合波された後、半波長板と偏光ビームスプリッター(PBS)によってその2光子量子干渉が生じる。その結果を2台の光子検出器によって同時係数する。(b)は発生した量子もつれ光の量子トモグラフィー結果。良質なもつれ光子対が生成していることが分かる。(c)は微分干渉顕微鏡部での1光子干渉結果。(d)は微分干渉顕微鏡部での2光子量子干渉結果。

図3 実験結果。(a)は観察に用いたサンプルの原子間力顕微鏡像。ガラス基盤上に、Qの字が17nm厚で浮き彫りにされている。(b)は(a)の赤枠線で囲んだ部分を断面方向について画像化したもの。(c)は量子もつれ光を用いて取得した画像。同じ光量の通常の光を用いて得た(d)と比較して、Qの字の輪郭がはっきりと確認できる。(e)と(f)は図(c)と(d)の赤い枠線で囲んだ部分のデータ強度分布をグラフ化したもの。黒線は、理論的に得られる平均カウント数。(g)と(h)は理論値からのずれをヒストグラム化したもの。量子もつれ顕微鏡(g)のヒストグラムは、通常の光を用いた場合(h)に比べて分散が小さく、より高い信号雑音比が得られていることが分かる