資料3-2 光量子計測の現状と展望

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1 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 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 /8/25 量子科学技術委員会

2 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

3 Entangled Photons in various degree of freedom Polarization Frequency (color) Photon number Angular momentum Quantum Communication Quantum Computation Quantum Metrology Recent progress in single-photon and entangled-photon generation and application Takeuchi, Jap. J. Appl. Phys. 53, (2014). 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

4 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

5 重力波検出 光干渉計の利用 角速度センサ 天体観測 5

6 位相測定の精度 古典測定 - 入力 : レーザー光などの古典的な光 をより小さくするには? 仮定 : 使用できる光子は n 個とする. - 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 ) 6

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

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 ) もつれ光子の 初めての 顕微鏡 への応用! 普通の 光 の限界を超えたもつれ光 SN 比 (1.35 倍 ) をもつ 微分干渉顕微鏡を実現 古典光 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 SN 比 1.35 倍 Ono, Okamoto, Takeuchi, Nat. Comm. 4, 2426 (2013) 8

9 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

10 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

11 関連する研究 Measuring protein concentration with entangled photons. Crespi, A. et al. Appl. Phys. Lett. 100, (2012) Biological measurement beyond the quantum limit. Taylor, M. A. et al. Nature photon. 7, (2013) 10

12 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

13 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 OCT 2 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, (2002). 12

14 課題 ( 群速度 ) 分散による分解能低下 ΔZ' 眼球網膜 z ΔZ ΔZ' 分散の影響下の OCT 信号幅 [μm] 分解能低下 分散あり分散なし 高分解能化 水の群速度 (2 次 ) 分散 β (24.8 fs 2 /mm) 25mm OCT 信号幅 [μm] ΔZ 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 13

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

16 分散媒質 1500 古典 OCTの分解能記録 0.75μmを超える なし 1000 量子 OCTの分解能 0.54 μm0.54μm を実現 1.1 μm また その分散耐性を実証! 分散媒質あり : 水 (1mm 厚 ) Coincidence counts[/10s] Coincidence counts[/10s] QOCT Delay cτ/2 [μm] 0.56 μm Delay cτ/2 [μm] experiment OCT 5000 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 3.3 μm Delay cτ/2 [μm] Okano, et. al., Sci. Rep (2015). simulation 数値計算 15

17 分散媒質なし 分散媒質あり : 水 (1mm 厚 ) Coincidence counts[/10s] Coincidence counts[/10s] μm QOCT Delay cτ/2 [μm] 0.56 μm Delay cτ/2 [μm] experiment OCT 1.1 μm 3.3 μm Delay cτ/2 [μm] simulation 数値計算 15 Okano, et. al., Sci. Rep (2015).

18 参考 : 分解能 3μm 分散なし 通常の OCT 水 40mm 相当 分散あり 部外秘 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 16

19 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) 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 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 17

20 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

21 光子の状態を 量子力学の限界まで 正確に読み取る 展望 : 生体分子のダイナミクスの解明 Okamoto et. al. Phys. Rev. Lett. 109, (2012). X. Liu et. al., Angew. Chem. Int. Ed. 51, 1-6 (2012). 19

22 ゴーストイメージング Optical Imaging by means of two-photon quantum entanglement 3D Computational Imaging with Single Pixel Detectors, Pittman et. al., Phys. Rev. A, 52, R3429(1995). Sun et. al., Science 340, p844 (2013). 20

23 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 21

24 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

25 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

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