原子集団と光の集団相互作用による多次元エンタングルメントの生成とその評価

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本年度は,quditベースの量子ネットワークの実現に向けてさらに一歩踏み込む目的で,冷却原子集団を用いた量子メモリについて,光の軌道角運動量状態に対する応答を評価した.量子メモリは,重ね合わせ状態も含めた任意の量子状態を一地点に保存し,任意のタイミングで再生することが可能なデバイスである.軌道角運動量状態に対する量子メモリに関する他グループの実験研究は特定の軌道角運動量状態に対する保存・再生成功確率の評価にとどまっており,その本質であるところの,メモリの量子的な性質にはアプローチされてこなかった.私の前年度までの研究は原子集団を用いて構成した量子メモリと単一光子との間に生成したエンタングルメントを評価したものであるが,任意状態の保存・再生については確認できたと言えるものの,その保存時間は40nsにとどまっていた.今年度の研究では,単一光子レベルの弱いコヒーレント光に対する空間的な位相変調を用いて(-1,0,+1)次のラゲールガウシアンモードで張られる様々な軌道角運動量状態を準備し,同様の位相変調と単一モードファイバーを組み合わせて用いることで軌道角運動量に敏感な測定を行うことを通して,量子メモリの軌道角運動量状態に対する応答をプロセストモグラフィーの手法を用いて推定した.現状の系での再生確率に関するコヒーレンス時間は20usであるが,その系で評価可能な30usまでの保存時間においては軌道角運動量状態に対する顕著なデコヒーレンスは確認されなかったことから,(-1,0,+1)次のラゲールガウシアンモードで構成された3次元の任意の量子状態に対して,冷却原子集団を用いた量子メモリが少なくとも30usの間は十分有効に機能することが明らかとなった.この結果は,軌道角運動量quditを用いた量子ネットワーク実現の可能性を強く肯定するものである.