Generation and control of multi-photon quantum entangled states by pre-post selection

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本年度は、事前事後選択による多光子量子もつれ状態の生成と制御の研究に向けて、①多光子対の光源開発に関する研究、②線形光学ネットワークから生成可能な多光子多モード量子もつれ状態がもつ性質に関する研究を行った。まず、①では、多光子量子状態生成の主な課題とである光子対源の高効率化に関する研究に取り込んだ。特に本研究では、非線形光学現象(自発的パラメトリック下方変換)で生成された光子対のシングルモードファイバーへの高効率化に関する研究を行った。具体的には、非線形結晶に入射された励起光の集光条件と、非線形結晶から生成され、シングルモードファイバーへ結合する光子対がもつ集光条件を制御することで最適化可能であることを示した。その結果、シングルモードファイバーへの結合効率が99.0+/-1.3%まで達成することができた。次に、②の研究では、線形光学ネットワークは光量子状態の制御によく用いられている。しかし、単一光子源と線形光学ネットワークのみでは、生成不可能な量子状態がある。その状態をノンフォック状態と定義する。特に、本年度には、生成されたノンフォック状態のコヒーレンス（重ね合わせ状態）の検証を行った。また、得られた測定結果(光子数分布と干渉縞の明瞭度)に基づいて、量子状態の忠実度を用いて評価を行った。その結果、実験値として92.2+/-3.4%の高い値が得られた。一方、線形光学ネットワークから生成可能な量子状態は最大の忠実度を3/4しかならないことを理論的に示し、実験的に生成した量子状態は、ノンフォック状態であることの検証に成功した。さらに、特別な測定(単一光子の射影測定)の忠実度の閾値を理論的に計算して5/6であることを示した。この結果は、明らかに実験値より、小さいため、生成された量子状態は、特別な射影測定の条件で生成された量子状態であることも実験的検証できた。