単一光検出器を用いた非古典光のコヒーレント検波

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本研究では、単一光子に対する高分解能周波数測定技術を確立することを目標に研究を行っている。この目標を達成するためには、(1) 単一光子検出器と微弱局発光(local oscillator, LO)を用いたヘテロダイン測定技術、(2) 狭帯域光子生成を実現する必要がある。今年度は、(1)に関して、超伝導単一光子検出器(SSPD)とアセチレン安定化レーザーを組み合わせたヘテロダイン測定器を立ち上げ、単一光子レベルに弱めた自然放射増幅光の周波数測定に成功した。波長1550nm付近で広い周波数幅を有する自然放射増幅光を生成した後、透過線幅24MHz、自由スペクトル領域1.47GHzの共振器へ入力することで、くし型のスペクトル構造を持つ光を生成した。その光を単一光子レべルまで減衰させ、LOと共にSSPDへ入力することにより、共振器の設計値と近い値のビート信号を検出することに成功した。さらに、LOと未知の量子状態にあるターゲット光子との強度干渉信号から、量子状態トモグラフィ(Quantum state tomography. QST)を行う手法を開発した。この手法では、従来のQSTで必要であった能動的なデバイスを全てLOの準備系に移行することで、ターゲット光子のモードには受動的なビームスプリッターだけを配置するだけでよい。従って、様々な物理自由度にエンコードされた量子状態の推定に適用可能である。この成果については米国物理学会誌Physical Review Appliedに掲載された。