光量子回路における量子プローブの開発
Development of a quantum probe for optical quantum circuits
北海道大学
派遣期間
研究機関
研究指導者

岡本 亮
2013 年 4 月 9 日～2013 年 10 月 2 日
Department of Physics. University of Toronto,
60 St. George St. Toronto, ONT M5S 1A7 CANADA
Prof. Aephraim M. Steinberg

Novel quantum devices are attainable by constructing optical quantum circuits combining quantum gates between
photons. For recent large-scale optical quantum circuits, however, it is very difficult to identify where and how errors
occur in these circuits. In order to solve this problem, it is required to develop a probing technology which cannondestructively measure quantum states in circuits. However, we cannot use conventional methods for measuring
quantum state because these conventional methods destroy quantum states irreversibly. For this purpose, we need a“quantum probe’’ combining recent quantum measurement techniques. I have acquired the quantum measurement
techniques, such as a photon detection technique using a fiber array and a phase locking scheme for quantum states,
through a quantum optical centroid measurement experiment. We created spatial super-resolution fringes with two-,
three-, and four-photon entangled states, and demonstrated a scalable implementation of the optical centroid
measurement. Then we investigated a scheme for quantum probe using weak measurement which is one of the recent
quantum measurement techniques.

研究目的

新たな測定手法を確立する必要がある。

近年、光子制御技術の発展に伴い、新しい機能を持った光量子デバイスが実現可能になってきた。そ

研究経過のような光量子デバイスは、光子-光子間の量子干渉

2013 年 4 月より、約 6 ヶ月間、山田科学振興財団

効果を用いるため、量子干渉部分をノードとする入の長期派遣研究助成のご支援を受け、カナダのトロり組んだネットワーク状の「光量子回路」として実ント大学の Aephraim M. Steinberg 教授の研究グルー現される。従って、より複雑な機能を実現するためプに滞在した。この研究室は、近年の量子測定技術には、光量子回路の大規模化が避けられない。しかの急速な進歩を牽引してきたグループである。そこし一方で、近年、光量子回路の大規模化に伴い、回で、この滞在期間で、最新の量子測定技術を修得し、路内でエラーがどこでどのように発生しているかを量子プローブの設計・開発を目指した。まず、最新突き止めることが非常に難しくなってきた。通常のの量子測定技術習得のため、量子 Centroid 測定の研

電気/電子系の回路では、プローブ測定を行うことで、究に参画、実際に実験を行った。量子 Centroid 測定回路の動作テストを行うことができる。この場合、とは、古典的な限界を超える精密な測定を可能にす十分に注意を払うことで、回路に対するプローブのる新しい測定技術である。精密な位置測定や高解像影響はほとんどゼロにすることが可能である。しか度イメージング、ナノリソグラフィーといった現代し、量子力学では、通常の射影測定を行うと、測定の科学・技術に欠かせない基盤技術にとって、いか対象の量子状態は非可逆的に変化してしまう。そのに細かな光の干渉縞を生成し、検出できるかは本質

ため、光量子回路のプローブ測定を行うためには、的に重要である。古典的な光（レーザー光等）を用

図 1. a) Experimentally measured centroids for one to four photons, for both N00N states and classical,coherent states. b) A plot of the visibility of the classical and the quantum (N00N)-state centroids versus
photon number.
いた場合、そのような測定は全て、「回折限界」と呼合では、一定に保たれている事がよく分かる。また、ばれる光の波長によって決まる限界で制約される。

測定結果を解析することで、これまでの干渉縞検出

しかし、量子的な光を用いることで、古典的な回折方法（各点における n 光子数測定）と比べて、検出限界を打ち破り、より細かな干渉縞を作ることが可効率が飛躍的に向上していることが確認できた。

能なことが知られている。しかしながら、これまで量子 Centroid 測定の研究に参画することで、ファの干渉縞検出方法では、生成した量子的な光のごくイバアレイを用いた光子検出技術や、量子状態の位一部しか用いることができないという大きな問題点相ロック方法といった、量子プローブとして応用ががあった。量子 Centroid 測定は、この問題を解決し、可能な基礎技術を身につけることができた。そこで、量子光の全てを検出することを可能にする新しい量

方解石とファイバアレイを組み合わせて弱測定を行子測定手法である。

うことで、量子状態を非破壊的にプローブする系を実験では、NOON 状態と呼ばれる量子状態によ考案した。弱測定による量子状態の測定（量子状態って作られる空間干渉縞を、量子 Centroid 測定を用トモグラフィ）は、最近、理論的な提案がなされていて観測した。NOON 状態は、コヒーレント光とパおり、弱測定結果から、量子状態の密度行列を得る

ラメトリック下方変換光をビームスプリッタで干渉ことが可能であることが分かっている。ファイバアさせることで実現した。また、干渉縞の検出は、フレイを用いることで、プローブ状態の変化を測定すァイバアレイに結合させた光子を測定することで行る。測定部位でいくつかの種類の弱測定を組み合わった。図１(a)がその実験結果である。左の列が、光せることで、その測定結果から、その部位における源として、古典光を用いた場合、右が量子状態を用光子の量子状態を推定することができる。これによいた場合である。一番上から、1 光子測定、2 光子り、特定のエラーが生じた時の光量子回路内部の各Centroid 測定、3 光子 Centroid 測定、4 光子 Centroid部位の量子状態をプローブすることが可能になる。

測定の結果となっている。図から、下に行くほど、しかし残念ながら、渡航期間が終了してしまったた細かい干渉縞が得られているのが分かる。さらに、め、実際に系を構築して動作を確認するには至らな量子光を用いた場合、干渉縞の明瞭度が保たれていかった。現在、提案した量子プローブの構築のためるのに対して、古典光を用いた場合、明瞭度が著しに共同研究を継続中である。

く悪化していくことが分かった。図１(b)はそれぞれ計画にはなかったが、渡航期間の後期に、トロンの明瞭度の値を横軸光子数としてプロットしたもの

ト大学の原子を用いた研究と私が培ってきた光量子である。図から、古典光を用いた場合、明瞭度が指回路技術を融合することで、全く新しい原理に基づ数的に悪くなっていくのに対し、量子光を用いた場く光量子回路が実現できる可能性が見えてきた。現

在は、理論的な検討を継続的している。
また、渡航期間中、2 つの国際会議へ出席するこ

誌上発表
1.

L. Rozema, J. D. Bateman, D. H. Mahler, R.ともできた。多くの研究者と交流することができ、

Okamoto, A. Feizpour, A. Hayat, & A. M. Steinberg,

様々な知見を得ることができた。

Scalable Spatial Superresolution Using Entangled
Photons. Physical Review Letters, 112, 223602(2014).