1光子の同一性評価に向けた光子検出系と光子統計評価システムの構築
丹治研究室 谷川雄太
1.背景と目的
近年、量子状態を維持したまま通信を行

周波数および偏光の単一光子状態|1⟩1, |1⟩2う量子インターネット構想が注目を集めてを同時に入射させる。このときの入射光のいる。これが実現すれば現在開発が進んで状態はいる量子センサーや量子コンピュータを直|𝜓⟩ = |1⟩1|1⟩2 = 𝑎̂†1 𝑎̂† 2|0⟩|0⟩

接ネットワークに繋ぐことができ、分散型(2.1)

量子コンピュータによる大規模な計算が可能になることが期待される。また、原理的に盗聴されることのない量子暗号ネットワークの延伸にもつながる。
量子インターネットにおいては光子間に強い相関が存在する量子もつれ状態を効率的に配布する必要がある。その実現に向けて、我々は 87Rb 原子を用いた量子光源と遠隔にある希土類原子を用いた量子光源からそれぞれ放出される光子間の量子もつれ状

図 2.1 HOM 干渉の実験系の概略図

態の生成を目指している。しかし、その実証実験を行うために量子光源を遠隔地までと表される。ここで|0⟩|0⟩は真空状態であ移動させることには、現実的には様々な困る。式(2.1)の状態を BS の出力側の状態に難が伴う。そこでまずレーザー光と 87Rb 原変換すると子集団から放出される光子の同一性を示し、次にそのレーザー光と遠隔地にある量子光|𝜓 ′ ⟩ = (𝑎̂1†′ + 𝑖𝑎̂2†′ )(𝑖𝑎̂1†′ + 𝑎̂2†′ )|0⟩|0⟩/222= {𝑖(𝑎̂1†′ ) + 𝑖(𝑎̂2†′ ) + 𝑎̂1†′ 𝑎̂2†′

源からそれぞれ発生する光子の同一性を示すことによって、量子もつれ生成に必要な− 𝑎̂1†′ 𝑎̂2†′ }|0⟩1 |0⟩2 /2

Bell 測定が可能かどうかを検証しようと考えている。本研究では光子の同一性の評価= 𝑖(|2⟩1′ |0⟩2′ + |0⟩1′ |2⟩2′ )/√2(2.2)に向けた Hong-On-Mandel 干渉の測定を行うために強度相関関数𝑔(2) (𝜏)のの解析のためとなる。式(2.2)は、入射された二光子はの光子検出系と光子統計評価システムの構

く、どちらかの出力ポートから二光子まと築を行う。

めて出射されるということを表す。つま別々のポートに一個ずつ出射することはな

り、出力ポートのどちらか一方の光子数が2.原理0 になるということであるから、出力ポー2.1 Hong-Ou-Mandel 干渉

ト1′,2′の両方で同時に光子を検出する計数

図 2.1 のように光を 50:50 に分けるビーム率はスプリッタ(BS)の入射ポート 1,2 に同じ〈𝜓 ′ |𝑎̂1†′ 𝑎̂2†′ 𝑎̂2′ 𝑎̂1′ |𝜓 ′ 〉 = 0(2.3)

2となる。これは見分けがつかない二光子間の量子干渉による現象であり、これをHong-Ou-Mandel (HOM)干渉と呼ぶ。
HOM 干渉を観測するためには図 2.1 のよ
うに光子対を BS に入射させ、出力ポート1′と2′に配置した単一光子検出器で光子の検出を行う。そして、BS に二光子が到達

図 2.3 Hanbury Brown および Twiss の実験する時間差∆𝜏を変化させながら光子の同時計数率𝑃𝑐𝑜𝑖𝑛 を測定すると、∆𝜏 = 0の付近で光源 S から出た光は BS によって 50%ず光子間の同時計数率が減少することがわか

つのパワーに分けられ、それぞれ青色の経る。測定結果を表すグラフの一例を図 2.2路と赤色の経路を通って D1,D2 の検出器にに示す。

入る。各々の光は検出器 D1,D2 で電気信号に変換された後、遅延 τ1,τ2 を経て相関器で掛け合わされる。相関器における信号の遅延時間の差は τ=τ1-τ2 である。D1,D2 の出力信号𝐼1 (𝑡), 𝐼2 (𝑡 + 𝜏)を用いると、光源 S から放出される光の古典論における二次の自己相関関数は𝑔(2) (𝜏) =図 2.2 HOM 干渉における同時計数率[1]〈𝐼1 (𝑡)𝐼2 (𝑡 + 𝜏)〉〈𝐼1 (𝑡)〉〈𝐼2 (𝑡 + 𝜏)〉(2.5)と表される。
光子計数検出器で記録される光子カウン

本研究では𝑃𝑐𝑜𝑖𝑛 を評価するために、二つのト数は強度に比例するので、式(2.5)の古典モード間の光子数相関的定義における自己相関関数𝑔(2) (𝜏)のを以下

𝑔(2) (𝜏) =〈𝑎̂1† (𝑡)𝑎̂2† (𝑡 + 𝜏)𝑎̂2 (𝑡 + 𝜏)𝑎̂1 (𝑡)〉のようにも書き換えることができる。

〈𝑎̂1† (𝑡)𝑎̂1 (𝑡)〉〈𝑎̂2† (𝑡 + 𝜏)𝑎̂2 (𝑡 + 𝜏)〉〈𝑛1 (𝑡)𝑛2 (𝑡 + 𝜏)〉=〈𝑛1 (𝑡)〉〈𝑛2 (𝑡 + 𝜏)〉(2.4)の評価システムを構築する。

𝑔(2) (𝜏) =〈𝑛1 (𝑡)𝑛2 (𝑡 + 𝜏)〉〈𝑛1 (𝑡)〉〈𝑛2 (𝑡 + 𝜏)〉(2.6)

ここで、𝑛𝑖 (𝑡)は時刻 t において検出器 i で記録されるカウント数である。𝑔(2) (𝜏)はD1 で時刻𝑡に、D2 で時刻𝑡 + 𝜏に光子を計数

2.2 二次の自己相関関数𝒈(𝟐)(𝝉)

二次の自己相関関数は光の強度の自己相する確率である。つまり、𝑔(2) (𝜏)は𝑃𝑐𝑜𝑖𝑛 に対応する量であると言える。

関を示すものであり、Hanbury Brown および Twiss の実験により測定することができる。

表 2.1 に示すように、二次の自己相関関数𝑔(2) (𝜏)は光子統計に応じて異なる値をとる。

3

表 2.1 光子統計と𝑔(2) (𝜏)構築した光子検出系と光子統計評価システ
ムは図 3.1 のとおりである。ファイバーBSで分けられた光が二台の単一光子検出出器(Excelitas Technologies, SPCM-AQRH-14-FC)に入射され、光子検出により発生したパル光子統計がランダムなときは𝑔(2) (𝜏) = 1とスがマルチチャンネルスケーラ(FASTなり、これに対応する光の状態としてはコComTec, MCS6A)に送られる。MCS6A は開ヒーレント光が挙げられる。また光子がバ始信号の到着時刻を t=0 として t~t+Δt の間ンチングしているときには𝑔(2)(0) > 1となに入力されるイベント数(パルスの発生回り、対応する状態として熱放射、カオス光数)を記録する機器である。MCS6A で取得が挙げられる。最後に光子がアンチバンチしたデータは Python で自作した𝑔(2) (𝜏)の計ングしているときは𝑔(2) (0) < 1となり、対算コードを用いて PC で解析をした。

応する光の状態としては非古典光である単一光子が挙げられる。

3.2. 白色蛍光灯の光子統計評価

黒:ランダム構築した光子統計評価システムを用いて青:バンチング

白色蛍光灯の𝑔(2) (𝜏)を計算すると以下のよ

赤:アンチバンチングうになった。

図 2.4 様々な光の状態の𝑔(2) (𝜏)本研究では式(2.6)を用いて、三種類の光源から放出される光の光子統計評価を行った。
図 3.2 白色蛍光灯の𝑔(2) (𝜏)3.1 光子統計評価
3.1 光子検出系と光子統計評価システム

白色蛍光灯から放出される光子は、本来であればバンチングを示すはずであるが、コヒーレンス時間(ps 以下) が SPCM と MCSの時間分解能(350 ps)よりはるかに短く、光子数揺らぎを検出できないため 𝑔(2) (𝜏) =1と予測した。測定結果は𝑔(2) (𝜏) = 1.01 ±0.03となった。

図 3.1 光子検出系と光子統計評価システム

43.2. 強度変調させたレーザー光の光子統計評価
続いて、強度変調させたレーザー光について光子統計評価を行ったところ、図 3.3 のような結果を得た。このとき𝑔(2) (0) > 1 となり、バンチングの観測に成功した。

図 3.4 87Rb 原子集団からの散乱光の𝑔(2) (𝜏)4.まとめと今後の展望
本研究では光子の同一性評価に向けた𝑔(2) (𝜏)解析システムの構築し、光子統計評価をおこなった。白色蛍光灯、87Rb 原子集団からの散乱光について𝑔(2) (𝜏) = 1という
図 3.3 強度変調したレーザー光の𝑔(2) (𝜏)結果を得た。また、強度変調したレーザー光については𝑔(2) (0) > 1を示すバンチング

3.3. 87Rb 原子集団からの散乱光の光子統計評価の観測に成功した。
今後の展望としては 87Rb 原子集団からの最後に 87Rb 原子集団からの散乱光につ散乱光についてバンチングの観測ができるいて光子統計評価を行った。先行研究によかどうかを確認し、その後 HOM 干渉によると原子集団からの散乱光はバンチングしるレーザー光と 87Rb 原子集団から放出されており𝑔(2) (0) > 1となる[2]。しかしながる光子の同一性評価を目指す。また、最終ら、測定結果は𝑔(2) (𝜏) = 1.00 ± 0.06とな

的には 87Rb 原子集団から放出される単一光り、先行研究とは異なる結果となった。こ子についてをアンチバンチング(𝑔(2) (0) <の原因として、ファイバーに入る散乱光強1)の観測を試みたいと考えている。

度が低すぎたために、複数の測定結果を積算して計測したことによる𝑔(2) (𝜏)のピーク

参考文献の平滑化が考えられる。

[1] Heonoh Kim, Danbi Kim, Jiho Park, and Han
Seb Moon, Photon. Res. 8, 1491-1495 (2020) .
[2] Kazuyuki Nakayama, Yutaka Yoshikawa,
Hisatoshi Matsumoto, Yoshio Torii, andTakahiro Kuga, Opt. Express 18, 6604-6612(2010)