東大ら,量子光のパルス波形の自在な制御法を開発

東京大学,日本電信電話(NTT),情報通信研究機構(NICT),理化学研究所は,あらゆる量子光を所望のパルス波形で出力する光源「量子任意波形発生器(Q-AWG: Quantum Arbitrary Waveform Generator)」を提唱し,その核心となる量子光のパルス波形を自在に制御する手法を実現した(ニュースリリース)。

レーザーしか出力できない任意波形発生器(AWG)に代わり,任意の種類の量子光を出力でき,かつAWGのようにそのパルス波形を自在に制御できる汎用的な量子光源があれば,量子技術は大きく発展すると考えらている。

今回研究グループは,任意の量子光を任意のパルス波形で出力する量子任意波形発生器(Q-AWG)という光源を提唱し,その核心技術である量子光のパルス波形を自在に制御する手法を開発し,大規模光量子コンピュータの作動に必要な,特殊なパルス波形を持つ量子光の生成に成功した。

研究では,量子光への損失を抑えつつパルス波形を制御する手法をまず考案した。量子光は損失により量子光特有の物理的性質がみるみる失われ,基本的に元の状態に復元できないため利用できなくなる。

そこで研究グループは,量子もつれを介してパルス波形を自在に制御する新しい手法を考案した。例として,光1と光2に量子もつれがある場合を考える。光2を光子検出器に入射すると,光子が検出されたタイミングで光1側に狙った量子状態が生成される。ここで光子検出器の前に光フィルタを設置することで,生成される量子光のパルス波形を指定できる。

特に量子もつれのある光の周波数帯域を広くすることで波形制御の分解能が上がり,任意のパルス波形を実現できるという。この方法では実際に目的の量子光が生成される光1側に光フィルタを設置する必要がなく,量子光への損失を抑えたままパルス波形の制御が可能になるとする。

実験では,スクイーズド光とビームスプリッタにより量子もつれのある光を生成し,そこに光フィルタと光子検出器を組み合わせることで,シュレディンガーの猫状態と呼ばれる量子光をバランス型タイムビン(time-bin)波形のパルスとして生成に成功した。

大規模光量子コンピュータは,複数の量子光が互いに悪影響を及ぼさないようにバランス型タイムビン波形のパルスの利用を仮定している。これまでこの特殊なパルス波形の実現方法は知られておらず,この成果は,今回提案したパルス波形制御手法の柔軟性の高さ,そして量子技術開発における実用性を示すとする。

今回のシステムを拡張するとシュレディンガーの猫状態以外にも一般的な量子光が生成可能になる。Q-AWGは時々のニーズにも柔軟に対応する汎用型の量子光源であり,研究グループは,さまざまな量子技術の開発を促進するとしている。

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