時間と周波数の領域で量子もつれ光子を操る

昨今、量子コンピュータや量子暗号通信など、量子技術の研究開発が盛んに進められていますが、計測やセンシングといった領域においても量子技術の導入が加速し、性能の飛躍的な向上が期待されています。この量子計測や量子センシングによって磁場や電場、温度、加速度などを精度良く、高感度に計測することができれば、例えば、ライフサイエンスや医療、自動運転、防災、エネルギー、資源探査など幅広い産業で活用できるでしょう。

量子計測・センシング分野で不可欠なのが、二つの光子が離れていても互いに影響を及ぼし合う「量子もつれ」状態を、いかに安定的に作り出し、精密に制御するかという操作技術の開発です。量子もつれの光科学を研究する清水亮介教授は、特に「時間」と「周波数」に着目し、量子計測の光源となるこの光子の量子もつれ状態（量子もつれ光子）を操作することを目指しています。「時間－周波数領域における量子もつれ光子の特性を調べ、実験的に検出することで、量子光学と既存の分光計測との橋渡しを行い、新たなセンシング技術の発展に貢献したい」と清水教授は語ります。

フーリエ二重性の実証

二つの光子をそれぞれ観測すると２個の電球の光のように見えますが、光子が対になった量子もつれ光子を観測すると、そろった粒子が集団で振る舞うレーザー光のように、光子対がまとまりきれいな振る舞いを見せます。清水教授は過去に、レーザー光と量子もつれ光子を比較する回折・干渉実験を行い、こうした量子もつれ光子の性質を明らかにするとともに、その波長があたかも短くなったかのような波形パターンを観測したことから、量子もつれ光子のイメージングなどへの応用の可能性も示しました。
近年では、量子もつれ光子の時間領域分布を直接測定するため、超短パルス光との相互相関測定を利用した「アップコンバージョン法」を高度化し、サブピコ秒（ピコは１兆分の１）の時間分解能を持つ単一光子検出技術を開発しました。この技術により、時間領域の量子もつれ光子を評価する手法を確立し、量子もつれ光子の時間と周波数分布の間の二重性（フーリエ二重性）を実験で検証しています。

時間と周波数の領域において、量子もつれ光子の特徴である「相関の正負が反転する」ことが観測によって明らかとなり、フーリエ二重性を実証しただけでなく、「各領域で量子もつれ光子の高分解能測定が可能なことから、今後、測定の効率化を進めることで量子計測向けの有用な光源になり得る」（清水教授）ことを示しました。

「量子光シンセシス」を提唱

１次元のフーリエ変換に基づくレーザー光の操作は光シンセシスと呼ばれますが、清水教授は２次元フーリエ変換に基づくこれらの量子もつれ光子の操作を「量子光シンセシス」と名づけ、量子計測への展開を進めています。例えば、２次元の周波数空間中でスペクトルを操作したり、フーリエ操作による量子もつれ光子の時間波束制御を実証したり、また、量子通信の波長多重化につながる技術を開発したりと、多くの成果を挙げています。

光合成のメカニズム解明へ

このほか、国家プロジェクトで「多次元量子もつれ分光システム」を開発し、光合成など複雑分子系の物理機能の解明を目指す研究も手がけています。現在までに、時間－周波数分解型の分光計測装置で量子もつれ分光が可能なことを実証し、そこに偏光量子状態トモグラフィ装置を組み合わせることで、分光計測の精度をより向上させることに成功しています。これは「光子がいつ、どこに来たかを高精度に観測できるカメラのようなもので、新しい分光計測やイメージングの可能性を広げられる」（清水教授）そうです。

量子リモートセンシングの学内プロジェクトが発足

さらに、本学でも既存の枠組みを超えて研究者を集め、量子技術の基礎研究から社会実装までを目指す「q-Nexus」プログラムが立ち上がりました。学内の離れた２拠点間を量子ネットワークで結び、量子もつれ光子の非局所相関を使って光子を伝送し、遠隔地のスペクトル情報を取得することにより、分光センサーを使わずに遠くの試料を計測する「量子リモートセンシング」の実証試験を行う予定です。
清水教授はこうした多角的な量子計測・センシングの研究を通じて、企業との共同研究なども視野に入れながら、「量子技術を社会に浸透させていきたい」と考えています。

【取材・文＝藤木信穂】