多光子量子干渉による「ボソンサンプリング」の実現

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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。