京大など、複数光子による量子状態「非フォック状態」の実現と検証に成功

京都大学(京大)と広島大学の両者は12月25日、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の「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同状態を実現、さらに同状態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たことを発表した。

同成果は、京大大学院工学研究科の朴渠培大学院生、同・岡本亮准教授、同・竹内繁樹教授、広島大のHolger F. Hofmann教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国科学振興協会が刊行する「Science」系のオープンアクセスジャーナル「Science Advances」に掲載された。

実現した、多数の光子による複雑な量子状態の生成と検証方法のイメージ(出所:広島大プレスリリースPDF)

電子や光子などのミクロの世界に存在する量子は、マクロな世界に生きる我々の感覚に反するような、不思議な振る舞いをすることが知られており、量子個々の振るまいや相関を制御する量子コンピュータや、盗聴不可能な暗号を実現する量子暗号、従来の計測技術の限界を超える量子センシングなどの研究開発が進められている。

そうした量子の中でも光子は長距離伝送が可能であり、室温でも量子状態が保存されるため有力な担体と考えられている。特に、さまざまな、複数の経路(モード)に複数の光子が存在する量子状態(多光子多モード状態)は、光量子コンピュータや光量子センシング、また光量子暗号の長距離化のためのリソースとして非常に重要だとされている。

それらを応用するには、必要となる多光子多モード状態を実現し、そのような状態が実現されていることを効率的に検証することが必要となるが、これまでのさまざまな研究では、半透鏡(ビームスプリッタ)などの「線形光学素子」(光の入力強度に対して出力の強度が比例(線形)するような素子)に、複数の単一光子を入射させて量子状態を生成・制御する方法が用いられており、任意の多光子多モード状態を実現しうるのかといったことは不明だったとのこと。

多光子多モード状態の分類。Uは、線形光学素子を用いた変換を表す。AとBは、単一光子源と線形光学素子によって生成可能な状態であるフォック状態が表されている。Cは、フォック状態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、比較的容易に生成可能な非フォック状態(NF-AFS)。Dは、最も生成が困難なiNFS。実験では、Dの中にあるU'が、フーリエ変換量子回路で実装された(出所:広島大プレスリリースPDF)

そこで研究チームは今回、まず、単一光子源(光子を1つずつ発生させる装置)と、線形光学素子のみで実現できる多光子多モード状態の「フォック状態」に対し、その組み合わせでは実現が不可能な多光子多モード状態の非フォック状態の存在を理論的に解明することにしたという。

2光子3モードのiNFSを生成するための実験装置の模式図。System Aでは、フーリエ変換光量子回路を通過したあとで、光子が1つだけA'0で検出された場合、System Bでは、目的とする2光子3モードのiNFSが生成している(出所:広島大プレスリリースPDF)

その結果、フォック状態に対する非フォック状態の存在を理論的に解明することに成功したほか、非フォック状態に関してもフォック状態から比較的容易に実現できる非フォック状態「NF-AFS」と、生成が困難な本質的な非フォック状態「iNFS」に分類されることが示されたとした。そして今回の研究ではそのiNFSの一種を、2つの光子が3つの経路に存在する場合について、独自開発の「フーリエ変換光量子回路」を駆使することにより実現したという。

今回の方法による評価結果。生成された2光子3モード状態にたいして、経路B0において光子が検出された場合に、残りの経路B1とB2を半透鏡で合波し、光子検出を行った結果。経路B1とB2の間の位相を変化させた際に、高い明瞭度で干渉縞が観測されていることから、経路B0で光子を1つ検出した場合、もう1つの光子は経路B1と経路B2に存在する重ね合わせ状態にある(条件付きコヒーレンス)ことがわかる。同じようにB1、B2において光子を検出した場合にも、残り2つの経路について同様の干渉縞が確認されたことから、生成された状態がiNFSであることが検証された(出所:広島大プレスリリースPDF)