多モード多光子発生、検出と高速フーリエ変換による多次元量子計測

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本研究では量子もつれを利用し、多数パラメータ計測を高分解能化する多次元量子計測を実証する。この目的のため、今年度は基礎光源となるバーストモード光子発生技術実現に向けた、高純粋度伝令付き単一光子発生と、周回リング型量子メモリ技術、超伝導アレイ型光子数検出器の開発を実施した。まず伝令付き単一光子発生において世界最高の純粋度をもつ伝令付き単一光子の実証に成功した。申請時から実証していた制御された分極構造をもつKTP結晶を用いるとともに、適切な帯域を持つバンドパスフィルターを用いることで、フィルターによる伝令効率の低下を0.5%以下に抑えながら純粋度99.5%を達成した。この純粋度は本研究プロジェクト内での4光子量子もつれ発生において、99%以上の高い忠実度の実現が可能となる。周回型メモリ開発では、リング内の異なる時間モードへ光子を保持するためのマルチパスセルの設計と実証を行った。２次元的なマルチパスセルの設計により、幾何学的な偏光回転がなく、空間モードが安定して伝搬していることが観測された。また、多重化単一光子検出器に対する検出器トモグラフィ測定系の構築と個々の検出器の性能が一定しない場合の数値シミュレーションを実施し、検出効率が同一ではない場合でもその光子数検出の性能を評価できるようになった。光子数検出器開発においては、超伝導ストリップ検出器の大規模アレイ化と超伝導デジタル回路による後段信号処理により、多チャンネルの光子数弁別検出器の開発を目指している。今年度はまず、32素子アレイ型の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器と超伝導デジタル回路をオンチップに集積した光子数弁別検出器の設計・作製を進めた。また、大規模アレイ化により適する可能性のある技術として、超伝導マイクロストリップ光子検出器の開発も進めた。