阪大ら,異なる光周波数の二光子の干渉を実現

大阪大学,東京大学,情報通信研究機構(NICT)のグループは,広帯域光周波数多重化を利用した大規模量子情報処理の基礎技術である周波数領域のスプリッターを実現し,これを異なる光周波数(異波長)の二光子に適用したHong-Ou-Mandel干渉(HOM)を世界で初めて観測した(ニュースリリース)。

HOMは1987年に提案され,観測された干渉効果。2つの入力に対して2つの出力を持つビームスプリッターの入力1および入力2に1つずつ,計2つの「同一周波数の」光子を同時に入力すると,不思議なことに,2つの光子は出力3または4のどちらか一方に2つ揃って出力され,出力3と4に1つずつ出力されることはない。

これが従来のHOM干渉で,光量子コンピューターの基本要素であり,ベル測定や量子テレポーテーションなど幅広く利用されていた。

研究グループは,「ビーム」ならぬ「周波数」のスプリッターを非線形光学効果である和・差周波発生を用いて実現し,経路は同一だが周波数が異なる光子を1つずつ同時に入射したとき出力がどちらかの周波数に同一化された2つの光子となる「周波数領域でのHOM干渉計」を作り,その観測に成功した。

実験ではPPLN導波路による和・差周波発生および高性能な超伝導光子検出器を用いて,明確に量子力学的な領域の干渉性を示すことができた。

現在までに考えられている光量子演算は空間光回路を利用するものだが,この研究により,空間を光周波数に置き換えた新しい光周波数多重化量子演算の道が拓かれ,計算量や通信容量などの情報処理能力の飛躍的拡大が期待できるとしている。

関連技術「横国大ら,量子情報通信の中継器技術を開発」「NTTら,プログラマブルな量子情報処理向け線形光回路を実現」「京大,量子情報通信に適した共振器を開発

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