研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
岡本 亮

京都大学 大学院工学研究科准教授

光子を用いた量子回路の実現とその応用
光子の量子情報の自在な制御が切り拓く新しい地平
研究の背景
量子情報技術は、量子力学の「不確定性関係」や、「もつれ合い状態」といった、非現が困難であるという問題があった。

した反射率を有する「部分偏光ビームスプリッタ」
を用いることで、経路干渉を含まな研究の成果

い、コンパクトで安定な光量子ゲートを実現した【1】。

直感的な性質を巧みに利用することで、従光子間の相互作用を生成する方法とし来の古典力学的な限界を突破することを可て、主に下記の二つが提案されていた。一能にする。例えば、量子暗号は、不確定性

つは、共振器内の単一原子といった光子と上記のコンパクトかつ安定な光量子ゲー関係を利用することで、盗聴者の存在を検強く相互作用する別の量子系を媒介とするトの開発により、光量子ゲートを複数個組知することができ、飛躍的に安全な通信を方法である。
もう一つは、半透鏡における光み合わせた光量子回路が実現できるように可能にする。一方、量子コンピュータは、計子間の量子干渉と事象選択を組み合わせなった。下記では、実現した3種類の光量子算速度の指数関数的な向上により、本質る方法である。本研究は、後者の物理原理回路について説明する。

的に高速な計算を可能とする。また、量子に基づいた、光量子ゲート及び、光量子回計測技術は、もつれ合い状態を用いること路の実現とその展開に関するものである。

〈量子もつれフィルタ〉

1. コンパクトで安定な光量子ゲートの開発が、双方とも「垂直偏光」もしくは「水平偏光の素粒子である光子は、環境との相互半透鏡における光子間の量子干渉と事光」の場合のみ、それらの状態間の量子コで、古典的な限界を超える精度や信号雑音比の実現を可能とする。

2. 光量子回路の実現

量子もつれフィルタは、２つの異なる光子作用が小さく、その物理量が環境からのノイ象選択を組み合わせる光量子ゲートで最もヒーレンスを保ったまま保存するという機能ズに強いため、量子情報の担体として有望

基本的なものは、1回の2光子量子干渉とを持つ（図1）。
これは、通常の偏光フィルタである。
また、光ファイバを用いることで長距事象選択からなるものである。
そのような方を組み合わせても実現できない、量子的な離伝送が可能である。
さらには、光子の偏法で2光子間量子ゲートを実現する方法が機能であり、また、独立した単一光子源と組光を量子ビットとして用いた場合、１量子ビッ理論的に提案されていた。
しかし、提案されみ合わせることで、オンデマンドの量子もつト操作が既存技術で高精度に実現できるとた系には２つの結合した経路干渉計が含れ光源の実現、長距離量子中継などで必いった利点がある。一方で、光子間相互作まれており、実験的に安定に保つことが困要となる量子もつれ合いの純化など、さまざ用が小さく、2光子間に働く量子ゲートの実難であった。そこで、入射光の偏光に依存まな応用が可能である。
この量子もつれフィ
ルタを、ゲート数（４）、干渉光路数（４）にお図1 量子もつれ合いフィルタ動作概念図。
（ a）
、
（ b）
光子が透過する場合（c）光子が透過しない場合。
（ d）
量子もつれ光子対が生成される場合

いて世界最大級の光量子回路として実現した【2】。
〈KLM制御ノット操作量子回路〉
KLM制御ノッ
ト操作量子回路は、半透鏡における量子干渉を利用することで、光子1個レベルでの非線形光学応答を実装し、その「非線形素子」を組み合わせることで、制御ノット操作を実現するものである。2001年にKill、Laflamme、Milburn（KLM）
らは、この制御ノット操作量子回路と、テレポーテーション技術とを組み合わせることで、光量子コンピュータの実現可能性を理論的に丸文研究奨励賞 受賞者示し、現在まで、この論文は3000を超える引用を受けている。本研究では、KLMらの

図2 KLM制御ノット操作量子回路
非線形スイッチ2台が、組み込まれている。

図3 適応量子状態推定実験概念図
光子1個1個の測定結果に応じて測定装置（HWP1）を最適化理論提案以来10年間実現されてこなかったKLM制御ノット操作量子回路を、初め【3】。て実現した（図2）〈量子シャッター〉
本 研 究では、光 量 子 回路の技術を、量子力学の基礎 理 論の実 証に用いた。
アハラノフ・ボーム効果で知られるアハラノフらが理論的に提唱した、「複数の位置の重ね合わせ状態を取り得る量子シャッ選択は、量子計測技術に必要なもつれ合化に向けた研究が活発に行われている。
まター１つだけを用いて、２つのスリットに入い状態の生成と制御にも用いることができた、「 量子シミュレータ」や「ボソンサンプリン射する光子を（ある条件下で）完全に反射る。光干渉計による位相測定は、天文学グ」のように、光量子回路により実現可能なする」という非常に直感に反する理論予測から生物学まで幅広く利用されているが、機能も広がりを見せている。量子計測技術

を、光量子回路として実現、その理論予想

光の量あたりの測定精度、すなわち感度にについては、
量子位相測定、量子イルミネーを実証した【4】。

は限界（標準量子限界）がある。本研究でション、量子吸収計測や、量子光断層撮影

は、半透鏡での光子間の量子干渉と、事といった様々な提案がなされており、基本原象選択を用いることで、４光子NOON状態理は実証されている。
しかし、実際に様々な量子力学の本質的な不確定性から、量と呼ばれる４つの光子がもつれ合った状態用途に応用するには、より一層の技術革新

子状態（例えば光子の偏光状態）を小数個を生成、標準量子限界を打ち破ることが可が必要とされている。今後も、光子を用いたのサンプルでできる限り誤差無く推定する能な量子干渉計を実現した【7,8】。また、こ

量子情報技術のさらなる発展の礎を築くべことは非常に困難な問題だった。本研究での原理を顕微鏡に応用した微分干渉顕微

く、研究を推進させていきたい。

は、量子状態1個1個の測定結果に応じて鏡である、「 量子もつれ顕微鏡」も実現して適応的に測定系を最適化する「適応量子いる【9】。

3. 適応量子状態推定の実証

謝辞

状態推定」
を、光子の偏光状態に対して実本研究は、多くの方々のご支援、ご協力

現（図3）、その最適性を実証した【5】。
さらに、の下に実現したものです。特に、京都大学

この実験のパラメータ数を拡張することで、1量子ビットに対する適応量子状態推定を実現している【6】。
4. 量子位相測定の実現とその顕微鏡への応用
半透鏡での光子間の量子干渉と事象

将来の展望の竹内繁樹 教授、北海道大学の笹木敬

光量子回路は、基本的な量子情報操作司 教授には深く感謝申し上げます。
また、を組み合わせることで、様々な量子デバイススペースの都合でここにはお名前を記すこを実現することができる。今後、さらなる大規とができませんが、共同研究者の方々、秘模化により、より高度で複雑な機能を実現

書の方々、同僚や学生の方々、学生時代できるようになるだろう。現在、大規模化にの研究室の先輩、同輩、後輩の方々にも、向けて、光子源の高性能化や、回路の集積この場を借りて深く御礼申し上げます。

References（参考文献）【1】R. Okamoto, H. F. Hofmann, S. Takeuchi and K. Sasaki, Physical Review Letters, 95, 210506/1-4 (2005).
【2】R. Okamoto, J. L. O Brien, H. F. Hofmann, T. Nagata, K. Sasaki and S. Takeuchi, Science, 323, 483-485 (2009).
【3】R. Okamoto, J. L. O'Brien, H. F. Hofmann and S. Takeuchi, Proceedings of the National Academy of Sciences, 108, 11067-10071 (2011).
【4】R. Okamoto and S. Takeuchi, Scientific Reports, 6, 35161 (2016).
【5】R. Okamoto, M. Iefuji, S. Oyama, K. Yamagata, H. Imai, A. Fujiwara and S. Takeuchi, Physical Review Letters, 109, 130404/1-4 (2012).
【6】R. Okamoto, S. Oyama, K. Yamagata, A. Fujiwara, S. Takeuchi, Physical Review A, 96, 022124 (2017).
【7】T. Nagata, R. Okamoto, J. O Brien, K. Sasaki and S. Takeuchi, Science, 316, 726-729 (2007).
【8】R. Okamoto, H. F. Hofmann, T. Nagata, J. L. O Brien, K. Sasaki and S. Takeuchi, New Journal of Physics, 10, 073033/1-9 (2008).
【9】T. Ono, R. Okamoto, and S. Takeuchi, Nature Communications, 4, 2426/1-7 (2013).