KUGA LABORATORY AT THE UNIVERSITY OF TOKYO

東京大学

大学院総合文化研究科

広域科学専攻

相関基礎科学系


久我研究室

単一光子源の多重化

単一光子は、量子暗号や量子計算に有用です。当研究室では、半導体ナノ粒子を用いて単一光子源を開発しました。空間位相変調器を介して多重化することで、スケーラブルな単一光子源の確立を目指しています。

単一光子源の多重化

単一光子は、ある時間区間内で同時に光子2個が含まれていないという、排他的な時間分布(アンチバンチング)を持つ光子流です。単にレーザー光のパワーを弱めるだけでも2個含まれる確率も減りますが、同時に1個含まれる確率も減るため、信号雑音比としては利得がありません。

単一光子を用いると、量子暗号の安全性を高められ、量子計算が可能になります。量子暗号とは、光を用いて特定の2者のみが共有し、通信事業者も含めて第三者が解読できないパスワードを生成する暗号です。量子計算では、2個の単一光子を干渉させると結合する性質(エンタングルメント)を利用することで、既存の計算機より優れた情報処理を行います。

当研究室では、単一光子源として、ポリマー薄膜中に埋め込まれた半導体ナノ粒子を用います(図2-1)。既存の単一光子源と比べ、波長可変性、低パワー動作、室温動作という点で優れております。

図2-1:半導体ナノ粒子を用いた単一光子源

薄膜を直角プリズムに付着させ、オレンジ色(波長593nm)の励起光を照射している。

半導体ナノ粒子は単一光子を放出しますが、CCDカメラで容易に観察できます(図2-2)。実際に1個の発光点からの蛍光を光子相関測定すると、アンチバンチングが得られます(図2-3)。

  • 図2-2:半導体ナノ粒子集団の蛍光撮像
  • 図2-3:1個の半導体ナノ粒子からの蛍光の光子相関

この系の魅力は図2-2が示す通り、単一光子源の近傍に別の単一光子源が存在することです。光路を加工することで、装置の規模を抑えたまま、多数の単一光子源を用意することができます。光路の加工には、空間位相変調器という液晶ディスプレイを用います。スケーラブルな単一光子源を確立し、量子暗号の波長多重化や、線形光学量子計算への利用を目指しています。


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