多光子量子干渉による「ボソンサンプリング」の実現

多光子量子干涉实现“玻色子采样”

基本信息

批准号：
17J06932
负责人：
清原孝行
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2017
资助国家：
日本
起止时间：
2017-04-26 至 2020-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

多光子量子干渉を用いたボソンサンプリングは，干渉に用いる光子が70個程度で，従来のスーパーコンピュータの計算能力に対する量子的優位性が示せるために，量子計算分野において大きな意義がある．本研究では，同一性の極めて高い光子を複数個同時に出力する多光子源を駆使し，複数光子ボソンサンプリングの実現を目指した．これまでに、伝令付き単一光子源から出力される余剰光子の割合を抑制するために、光子対源の多重化と光子対数識別法を組み合わせたハイブリット伝令付き単一光子源を実現した(OPEX2016)。それにより余剰光子の割合が44%に低下することに成功した。次に、スケーラブルに多光子量子干渉実験を行うために、一台の単一光子源から出力される一定間隔でならんだ光子列を多光子量子干渉実験の入力状態であるパラレル列に変換するシリアルパラレル変換の研究に取り組んだ。伝令信号に基づいて動的制御することで、従来の手法の最大変換効率50%を超える53%を達成した(OPEX2017)。最終年度は、これまで実現してきた余剰光子抑制された伝令付き単一光子源とシリアルパラレル変換を組み合わせたよりも動的スイッチネットワークの損失を減らすことができる動的ネットワーク構造を提案し、二光子においてデモンストレーションを行い、効率的に二光子並列状態を生成することに成功した。この研究は論文にまとめ、学術論文誌に投稿した。さらに、二組の多モード間量子もつれ状態を効率的に評価することができる新手法についてその実証実験に成功し、こちらも現在雑誌に投稿した。今後、多光子量子干渉に用いる光子数を増加させるためには、光子対源の性能向上が不可欠である。そこで、パラメトリック下方変換により生成した非同軸縮退光子対を単一モードファイバに効率的に結合する研究も行った。最終的に結合効率は70%を超え、今後さらに向上できる余地があることが分かった。

使用多光子量子干扰的玻色子采样在量子计算领域具有重要意义，因为它使用了大约70个光子进行干扰，并显示了量子优势比常规超级计算机的计算能力。在这项研究中，我们旨在通过使用多光源来实现多光子玻色子采样，该源同时输出具有极高标识的多个光子。迄今为止，为了抑制具有Messenger从单光子源输出的多余光子的比例，它已经实现了具有Messenger的混合单光子源，并结合了光子对源的多路复用和光子对数识别方法（OPEX2016）。这成功将剩余光子比率降低到44％。接下来，为了执行可扩展的多光子量子干扰实验，我们致力于研究串行平行转换，这些转换将恒定间隔的光子序列从单个光子源输出的光子序列转换为平行序列，这些序列是多光量子量子干扰实验的输入状态。通过基于Messenger信号的动态控制，我们实现了53％，这是常规方法最大转化效率的50％以上（OPEX2017）。在最后一年，我们提出了一个动态网络结构，该结构可以减少动态开关网络的损失，而配备了Messenger配备的单光子源和序列平行转换的组合，该源已经实现了，并在两个光子上证明了它们，并成功地生成了两个光子并行状态。这项研究被编译成论文，并提交给学术期刊。此外，我们已经成功展示了一种新方法，该方法可以有效地评估两组多模量间纠缠状态，并已发布在杂志中。将来，为了增加用于多光子量子干扰的光子数量，提高光子对源的性能至关重要。因此，我们还进行了一项研究，以有效地将通过参数下变形产生的单模纤维产生的非固也变性光子对。最后，耦合效率超过了70％，发现将来还有进一步改善的空间。