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

通过前后选择产生和控制多光子量子纠缠态

基本信息

批准号：
22KJ1874
负责人：
Park Guebae
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

今年，为了研究通过前后选择产生和控制多光子量子纠缠态，我们将重点研究（1）多光子对光源的开发研究，以及（2）多光子、多模的性质可以从线性光网络产生的量子纠缠态进行了研究。首先，在①中，我们重点研究了提高光子对源的效率，这是多光子量子态生成的主要问题。特别是，在这项研究中，我们研究了如何有效地将非线性光学现象（自发参量下转换）产生的光子对传输到单模光纤中。具体来说，我们证明了可以通过控制入射到非线性晶体上的激发光的聚焦条件以及从非线性晶体产生并耦合到单模光纤的光子对的聚焦条件来进行优化。结果，我们能够实现单模光纤 99.0+/-1.3% 的耦合效率。接下来，在研究②中，经常使用线性光网络来控制光量子态。然而，有些量子态无法仅使用单个光子源和线性光网络来创建。该状态被定义为非fock状态。特别是，今年，我们验证了生成的非福克态的相干性（叠加态）。此外，根据获得的测量结果（光子数分布和干涉条纹的清晰度），我们利用量子状态的保真度进行了评估。结果，获得了92.2+/-3.4%的高实验值。另一方面，他们从理论上证明，从线性光网络可以生成的量子态只有最大保真度的3/4，并成功验证了实验生成的量子态是非福克态。此外，我们从理论上计算了特殊测量（单光子投影测量）的保真度阈值，结果表明其为 5/6。由于这个结果明显小于实验值，因此也通过实验验证了所生成的量子态是在特殊的投影测量条件下生成的量子态。