神戸大学と科学技術振興機構（JST）は、非線形光学結晶「BiBO結晶」を用いて高輝度な量子もつれ光を生成し、光の量子力学的な性質を利用する「量子イメージング」の高効率化に成功したと発表した（ニュースリリース）。
一方の測定で他方の状態も定まる「量子もつれ」を利用した量子イメージングは、従来の画像計測の限界を突破し、分解能や感度を大幅に向上させる技術として注目されている。
量子もつれ光は通常、結晶内で1つの光子を2つに分ける「パラメトリック下方変換」を経て生成されるが、効率が非常に低く測定に長時間を要する課題があった。生成効率が比較的高いBiBO結晶も、これまで量子イメージングへの応用は実現していなかった。
今回、神戸大の吉村佳奈子氏（博士前期課程）、米田成准教授、的場修教授らの研究グループは、BiBO結晶を用いた量子イメージング手法を提案した。まず、BiBO結晶から量子もつれ光を生成し、2つの光子が出現する「同時検出確率」を空間的に評価した。
この評価において、研究グループはイメージセンサーで光子の同時検出確率を並列測定する「EMCCDカメラ」を用いた「並列同時相関測定」を実施。実験の結果、光子対の伝搬方向を示す運動量には「負の相関（光軸の対象位置で同時検出される性質）」が、生成位置には「正の相関（同じ位置で同時検出される性質）」があることを実証した。
さらに、この相関ゆらぎの情報から「EPRパラドックス（一方の測定で他方の状態を高精度に推定できる非直感的な性質）」の不確定性原理を利用し、位置と運動量でもつれた状態であることを確認。通常の2状態より多くの情報を含む「高次元量子もつれ状態」であることも検証し、高精度な計測への足がかりを得た。
続いて、背景ノイズから量子相関成分だけを抽出する「量子画像蒸留」を用いて有用性を評価した。状態が定まらない思考実験「シュレディンガーの猫」をオマージュし、「生きた猫」と「死んだ猫」の穴が開いたプレートを用意。一方を一般的な光（LED）で、もう一方を量子もつれ光で照明しハーフミラーで重ね合わせた。
従来のカメラ技術では重なった像しか識別できないが、EMCCDカメラによる並列測定で全位置の光子の同時性を評価・積分。LED光はランダムに到達するため相関がないのに対し、量子もつれ光の位置は同時検出確率が増加するため、量子もつれ光で照明された「死んだ猫」の像だけを鮮明に分離・抽出することに成功した。
この高輝度光源の導入により、従来使用されていたBBO結晶では観察が困難なほど低エネルギーのレーザーしか使えない環境下でも、高精度な量子画像蒸留が可能であることが実証された。
研究グループは、本技術により古典光をノイズとして除去するだけでなく、両者に異なる情報を乗せて分離し「量子を新しい情報の次元」として扱うアプローチが可能になるとしている。これにより、「古典」と「量子」を融合した新しい情報フォトニクス技術の進展に大きく寄与するものとみられる。
今後は、大容量の量子通信や高精度な量子計測への応用に加え、超解像や高感度化、ホログラフィ、多光子吸収顕微鏡など、広範な量子イメージング技術の高効率化へ向けた展開が見込まれている。
