研究内容

光量子情報

光子を用いた3量子ビットゲート操作

  • [1] T. Ono, R. Okamoto, M. Tanida, H. F. Hofmann, & S. Takeuchi, "Implementation of a quantum controlled-SWAP gate with photonic circuits", Scientific Reports, 7, 45353 (2017).

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    光子量子ビットを制御する量子ゲートについてこれまでに、2つの光子間のゲート操作(2入力2出力ゲート素子)は実現されていますが、現在その効率が限られており、集積化の上で問題となっていました。それを解決すると期待されるのが、3入力3出力ゲート素子の実現です。特に、制御スワップゲートと呼ばれる素子は、量子誤り訂正や、量子指紋認証など、様々な量子プロトコルに用いることが可能です。しかし、実現するには、非常に複雑な光干渉の長時間安定化など技術的な困難が多数存在し、これまで実現していませんでした。  そこで本研究グループは、Fiurasekが理論的に提案した方法に基づき、外部からの光量子ビットが入力可能な制御スワップゲート操作の実現に初めて成功しました (図1と図2)。制御スワップゲートは、制御ビット が 1 の場合のみ、2つの標的ビットの状態を入れ替えます。図3に実験結果を示します。入力の数字は、 左端が制御ビットの値を、その右隣2つが、標的ビットの値を示します。また、高さは、そのような入出力値が得られた確率を表します。制御ビットが 0 の場合には、入力された標的ビットの状態は高い確 率でそのまま出力されているのに対して、制御ビットが 1 の場合には、01 は 10 に、10 は 01 に高い確率 で入れ替わっています。さらに、制御ビットに重ね合わせ状態を入力した場合に、3光子がもつれ合い 状態が、生成されていることも確認しました。今回実現した制御スワップゲートにより、従来の2入力ゲートを組み合わせた光量子回路に比べて、光量子回路の効率を大きく高めることが可能です。また、量子指紋認証など、量子状態を用いたさらに高度なセキュリティー 技術の実現などが期待されます。

    一つの量子的なシャッターで二つのスリットを同時に閉じる

  • [1] Ryo Okamoto and Shigeki Takeuchi, "Experimental demonstration of a quantum shutter closing two slits simultaneously," Scientific Reports 6, 35161 (2016).

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図1.一つのシャッターが重ね合わせ状態で複数の場所に存在し、光子をはじき返している様子の概念図

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    図2.干渉縞測定結果

      量子力学では、1つの粒子が複数の場所に同時に存在する量子重ね合わせ状態をとることができます。光の波の性質を確認した、「ヤングの2重スリット実験」を、光子を1個ずつ用いて行った場合も、実験を繰り返すと、光子の検出位置の分布は、干渉縞を形成することが知られています。この光子の2重スリット実験は、1個の光子が重ね合わせ状態になり、同時に2つのスリットを通ったと考えないと説明がつかず、量子力学の重ね合わせ状態をもっとも端的に示す実験です。また、通常のシャッター1個で一方のスリットを遮断すると、この干渉が失われることもよく知られています。では、もし2つのスリットの位置に同時に存在する、すなわち「重ね合わせ状態」をとりうるシャッター(量子シャッター)を用いて、このスリットを制御すると、どのようなことが起こるでしょうか。2003年に米国とイスラエルの物理学者らは、重ねあわせ状態にある量子シャッターを用いると、その量子シャッターが光子と相互作用したあと別の重ね合わせ状態に変化した場合、入射した光子はまったくスリットを透過できず、重ね合わせ状態をたもったまま跳ね返されることを理論的に予言しています(図1)。これは、たった1つの「量子シャッター」を用いて、複数のスリットを同時に遮断することができるこという奇妙な、また驚くべき予言です。しかし、必要な性質を満たす量子シャッターの実現が困難だったため、実験的に実証されていませんでした。我々は光量子回路を用いて2003年の理論提案を初めて実験的に実証しました。重ね合わせ状態をとり得る量子シャッターを、光子で実現しました。これにより、半透鏡を用いて、高い精度で重ね合わせ状態を作ることができます。しかし、このままでは、シャッターで光子をはじき返すという相互作用を実現することができません。そこで、各スリットに光子で光子を制御することができる光量子スイッチを用いることを考案しました。実験ではまず、1個のシャッターで、古典的な限界を超えて、2つのスリットを同時に遮断することが可能なことを確認しました。次に、同時に2つのスリットがシャッターで閉じられていることを確認するために、シャッターで弾き返された光子が干渉することを確認しました(図2)。もし、シャッターが片方のスリットしか閉じていなかった場合、決してこのような干渉縞を得ることはできません。我々は、このようにして、2003年の理論提案をはじめて実験的に実証しました。本研究は、量子物理学のより深い理解に役立つだけでなく、重ね合わせ状態で、重ね合わせ状態を制御することが可能なことを示すもので、将来の量子コンピュータの実現につながるものであると期待しています。

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