光量子計測の現状と展望

竹内 繁樹takeuchi@kuee.kyoto-u.ac.jp

京都大学 大学院工学研究科 電子工学専攻

2016/8/25 量子科学技術委員会

資料３－２科学技術・学術審議会 先端研究基盤部会

量子科学技術委員会（第５回）平成２８年８月２５日

1

Quantum Entanglement量子もつれ合い

「粒子対（集団）の、複数の相関状態」の重ね合わせ状態。それぞれの粒子の（量子）状態は、独立に記述することができない。

2

Entangled Photons in various degree of freedom

Polarization

• Frequency (color)• Photon number• Angular momentum……

Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and applicationTakeuchi, Jap. J. Appl. Phys. 53, 030101 (2014).

Quantum Communication

Quantum Computation

Quantum Metrology

「多様な量子もつれの実現と新たな応用」 竹内繁樹、物理学会誌、vol. 69, 852(2014).3

光量子計測の分類

量子もつれを用いた、感度の向上

ショットノイズを超えるS/N比の達成

量子もつれ顕微鏡など

量子もつれを用いた、機能向上

量子光断層撮影

その他の、光量子計測技術

アダプティブ計測、ゴーストイメージングなど

光量子計測の今後

方向性、日本の立ち位置4

光干渉計の利用重力波検出 角速度センサ

天体観測

http://www.virgo.infn.it/

http://www.boeing.com/

http://rocket.sfo.jaxa.jp/

http://www.eso.org/

5

位相測定の精度

をより小さくするには？

古典測定- 入力 : レーザー光などの古典的な光

- 精度の限界: （標準量子限界）

量子測定- 入力: n光子もつれ合い状態

- 精度の限界: （ハイゼンベルク限界）

仮定：使用できる光子は n 個とする．

6

Contents

Nagata, Okamoto, O’Brien, Sasaki & Takeuchi, Science, 316, 726 (2007) . 7

量子もつれ光子を用いた顕微鏡17nm厚のQ字掘りガラス基盤（AFM像）

もつれ光 古典光

SN比1.35倍

もつれ光子の、初めての「顕微鏡」への応用！

普通の「光」の限界を超えたＳＮ比（1.35倍）

をもつ、微分干渉顕微鏡を実現。

今後、より大きな光子数のもつれ状態等により、

さらなるSN比向上が期待。

もつれ光子の、初めての「顕微鏡」への応用！

普通の「光」の限界を超えたＳＮ比（1.35倍）

をもつ、微分干渉顕微鏡を実現。

今後、より大きな光子数のもつれ状態等により、

さらなるSN比向上が期待。

Ono, Okamoto, Takeuchi, Nat. Comm. 4, 2426 (2013) 8

量子もつれ光子を用いた顕微鏡17nm厚のQ字掘りガラス基盤（AFM像）

もつれ光 古典光

SN比1.35倍

Ono, Okamoto, Takeuchi, Nat. Comm. 4, 2426 (2013) 8

量子もつれ顕微鏡：今後の展望

利点：照射できる光量に制限がある場合、同じ光量で高い精度・信号雑音比。

今回N=2、感度最大1.4倍 （同じSN比を半分の光量で）

N=4で感度最大2倍 （同じSN比を4分の1の光量で）

N=10で感度最大3.3倍 （同じSN比を10分の1の光量で）

実用化への課題

アプリケーションの探索

生体細胞内部のわずかな物質分布の変化や，蛋白質結晶の結晶化過程の解明など？

感度像倍率の増加 (High NOON、スクィーズド光）

光源の光量（単位時間あたり光子対数）の増大。

9

関連する研究

・Measuring protein concentration with entangled photons.

Crespi, A. et al. Appl. Phys. Lett. 100, 233704 (2012)

・Biological measurement beyond the quantum limit. Taylor, M. A. et al.

Nature photon. 7, 229-233 (2013)

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光量子計測の分類

量子もつれを用いた、感度の向上

ショットノイズを超えるS/N比の達成

量子もつれ顕微鏡など

量子もつれを用いた、機能向上

量子光断層撮影

その他の、光量子計測技術

アダプティブ計測、ゴーストイメージングなど

光量子計測の今後

方向性、日本の立ち位置11

計測への応用：光コヒーレンストモグラフィ

通常のOCT(Optical Coherence

Tomography)低コヒーレンス干渉利用深さ分解能～10 μm

量子OCT２光子量子干渉を利用量子もつれ光利用で深さ分解能 < 1 μmも可

Abouraddy, Nasr, Saleh, Sergienko & Teich, Phys. Rev. A 65, 053817 (2002). 12

網膜

水の群速度(2次)分散β (24.8 fs2/mm)×25mm

高分解能化

分解能低下

分散あり分散なし

眼球

OCT信号幅[μm]

zΔZ'

分散

の影

響下

のO

CT信

号幅

[μm

]

(群速度)分散による分解能低下課題

ΔZ

ΔZ'

ΔZ

13

高分解能化のために光源を広帯域にするほど群速度分散の影響により、かえって分解能が劣

化してしまう。

周波数もつれ光子による２光子量子干渉の群速度分散耐性

• 周波数に関してもつれあった光子の2光子量子干渉信号は、群速度分散の影響を受けない。

14Steinberg, Kwiat, Chiao, PRA vol. 45, no.9 (1992).

光路長差が一致するとき、周波数もつれに起因して生じるこれら２つのプロセスは、区別がつかないため「干渉」し、打ち消し合う。

3.3 μm

Delay cτ/2 [μm]

※数値計算

分散媒質なし

分散媒質あり：水（1mm厚）

2000

1500

1000

500-4 -2 0 2 4

0.54 μmC

oinc

iden

ce c

ount

s[/1

0s]

5000

4000

3000

2000

1000-4 -2 0 2 4

0.56 μm

Delay cτ/2 [μm]

Coi

ncid

ence

cou

nts[

/10s

] Delay cτ/2 [μm]

QOCT OCT

1.1 μm

※simulation※experiment

古典OCTの分解能記録 0.75μmを超える、量子OCTの分解能 0.54μm を実現

また、その分散耐性を実証！

量子もつれ光を利用した、超高分解能の光コヒーレンストモグラフィが期待

Okano, et. al., Sci. Rep. 5 18042 (2015). 15

3.3 μm

Delay cτ/2 [μm]

※数値計算

分散媒質なし

分散媒質あり：水（1mm厚）

2000

1500

1000

500-4 -2 0 2 4

0.54 μmC

oinc

iden

ce c

ount

s[/1

0s]

5000

4000

3000

2000

1000-4 -2 0 2 4

0.56 μm

Delay cτ/2 [μm]

Coi

ncid

ence

cou

nts[

/10s

] Delay cτ/2 [μm]

QOCT OCT

1.1 μm

※simulation※experiment

Okano, et. al., Sci. Rep. 5 18042 (2015). 15

分散なし 分散あり

通常のOCT

量子OCT 水などの分散媒質があっても、分解能がほとんど劣化しない。

Suezawa, et. al., unpublished

水40mm相当参考：分解能3μm 部外秘

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量子OCT: 今後の展望

利点

群速度分散耐性がある。

同じ帯域の光源では、分解能がOCTより良い (1.4～2倍）。

損失に対して、性能が落ちない。（OCTと同程度）。

実用化への課題

計測に時間がかかりすぎている。

光源の光量（光子対数）が少ない。

光子検出器、光子計数システムの高速化。

高分解能量子OCTの実用化 １０～１５年程度を予想。

アプリケーション

医療 眼科の他、様々な生体組織の皮下の高分解能観察。

製造 透明電極など、高分散媒質中の３次元高分解能計測。

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光量子計測の分類

量子もつれを用いた、感度の向上

ショットノイズを超えるS/N比の達成

量子もつれ顕微鏡など

量子もつれを用いた、機能向上

量子光断層撮影

その他の、光量子計測技術

アダプティブ計測、ゴーストイメージングなど

光量子計測の今後

方向性、日本の立ち位置18

光子の状態を、量子力学の限界まで、正確に読み取る。

X. Liu et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 51, 1-6 (2012).

展望： 生体分子のダイナミクスの解明

Okamoto et. al. Phys. Rev. Lett. 109, 130404(2012).19

ゴーストイメージング

Sun et. al., Science 340, p844 (2013).

3D Computational Imaging with Single Pixel Detectors,

Optical Imaging by means of two-photon quantum entanglement

Pittman et. al., Phys. Rev. A, 52, R3429(1995).20

光量子計測研究の、国内外の研究者・機関

米国： Boston (Teich, Sergienko), ARO (Meyers), Univ. Illinoi (Kwiat), Univ. Maryland (Shih), MIT (Loyd, Shapiro), Louisiana State Univ. (Dawling)欧州： 英国 Oxford (Walmsley), Bristol(O’Brien, Rality), デンマーク Tech. Univ. Denmark (Andersen), ドイツMPQ/Munich (Weinfurter), イタリア INRiM (Genovese), Univ. Pavia (Maccone)アジア太平洋： 中国 Univ. Sci. Tech. China (Guo, Pan), 韓国 Postech (Y. H. Kim), オーストラリア ), ANU (Lam), Griffith Univ. (Pryde, Wiseman)日本： 北海道大学(富田）、東北大学（枝松）、東京大学（古澤、村尾）、京都大学（北野、竹内）、大阪大学（井元、藤原）、広島大学（ホフマン）他 青字は理論

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光量子計測研究：今後の方向性

量子状態の操作・制御技術開発の推進

より複雑で、高効率な量子もつれ光やスクィーズド光源

検出システム技術も重要（帯域、スピード、価格）

他の量子系とのインターフェース（核スピン-磁気測定等）

人材（実験）の育成

量子情報・量子光学＋アルファの人材の育成

先端計測技術との意欲的な交流、融合

人材(理論)の育成

広い視点からの、深い量子力学的考察に基づく、先導的提案が重要

数学、コンピュータサイエンス、制御理論などとの連携22

日本の立ち位置

Optics、Photonicsは、今後の成長産業の基盤技術

日本は、ドイツとならび伝統的に光学強国であった。

量子光学に関しては、ヨーロッパ（ドイツ・英国・フランス）が非常に強い。背景に、「広範な裾野」の存在。

対して、日本は、光学がカリキュラムにある大学・学科が少ない。量子光学・量子情報はさらに少ない。

光子計数技術は、当初アメリカ(EG&G)が先行、現在は欧州(PicoQuant、ID Quantique)が成長。日本は浜松ホトニクスが存在感。

大学においては、広範な「裾野」の強化→安定した研究環境欧州を参考にした、基礎研究分野での産学連携。（大学で使いながらの、最先端装置開発） 23