東北大,ランダムな偏光状態にある単一光子を発生

東北大学の研究グループは,静的にも動的にも真にランダムな偏光状態にある単一光子の発生を,ダイヤモンドを用いて実現することに成功した(ニュースリリース)。

暗号通信において,光子の偏光を「真の乱数」として利用する場合,全ての偏光状態が等確率で起こること(静的ランダム性)に加え,時間的に隣り合う光子の偏光の間に相関が全くないこと(動的ランダム性)を検証する必要がある。従来,静的ランダム性の評価は行なわれていたが,動的ランダム性の評価法はこれまで知られておらず,その確立と検証実験が望まれていた。

今回,研究グループは静的かつ動的な無偏光状態を,ダイヤモンド中の不純物欠陥である窒素-空孔中心(NV中心)を用いて実現し,その特性評価を行なった。

NV中心は,室温で単一光子発光を実現できることから,量子情報通信技術の分野で注目されている。単一のNV中心に顕微鏡の対物レンズを通してレーザーを照射すると,NV中心の電子が高いエネルギー状態に励起される。電子の励起状態にはEx およびEyと呼ばれる2つの状態があり,それらから各々水平偏光(H偏光)および垂直偏光(V偏光)の単一光子が発生する。

室温においては,熱によってこの2つの電子状態がランダムに混合されてから発光することから,発生する単一光子はH偏光とV偏光がランダムに混合された無偏光状態となることが期待される。また,このような無偏光状態にある単一光子は,特定の方向(NV中心の軸方向)から観測する必要がある。

研究では,このような特定の方向からNV中心を観測できるよう結晶面を工夫したダイヤモンド試料を用いて,特定の軸方向をもつ単一 NV中心から発生する単一光子の無偏光性の評価を行なった。実験では,このようにして発生した光子の偏光の静的ランダム性を高い精度で検証したことに加え,動的なランダム性の評価方法を提案・検証した。

特に,量子光学的な動的無偏光性の評価方法は,この研究において初めて提案・実現したもの。このようにして,観測した光子が静的にも動的にもほぼ完全なランダムな偏光をもつ理想的な無偏光状態にあることを,世界で初めて実証した。

今回の成果では,ダイヤモンド中の不純物欠陥である単一NV中心を用いて,静的にも動的にも真にランダムな偏光をもつ単一光子の発生を実現するとともに,その動的無偏光性の評価方法を提案・実証した。今後は,今回実現した無偏光単一光子を用いて,量子測定における不確定性関係(誤差・擾乱関係)などの量子力学の基礎問題の検証実験や,量子暗号などに用いられる物理的な真性乱数発生装置への応用等に取り組んでいきたいとしている。

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