周波数域線形量子光回路を用いた大規模量子シミュレータの構築
アルト ホサカ, Aruto Hosaka, 有杜 保坂
本研究課題の将来的な目的は周波数多重量子状態を活用し、比較的小規模な実験系で大規模な革新的量子シミュレータの構築を行うことである。この課題内では周波数次元上に多重化された量子状態の生成を行い、さらにこれらの混合素子の開発に取り組んだ。 まず、我々は位相整合条件を設計されたPPKTP結晶を用いてスクイズド状態を周波数軸上に並行生成する実験を行った。先行研究においても周波数軸上にスクイズド光を並行生成した成果が報告されてきたが、本研究ではプログラマブルな量子シミュレータの構築に向けて、これらの周波数多重スクイズド光を独立に制御することを目指した。そのために、本研究では周波数多重スクイズド光の生成に位相整合条件を設計されたPPKTP結晶を用いた。この特殊な結晶の性質を活用することで、周波数軸上で多重化された量子状態にポンプ光スペクトルとの独立な対応関係が生じる。さらに、この結晶の励起パルスに高精度波形整形技術を組み合わせることで、生成されたスクイズド光を独立に操作した。 実際に実験によって周波数多重スクイズド光の並行生成および独立制御を行い、その成果をレーザー学会学術講演会第40回年次大会およびThe 9th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS2020)において口頭発表し、論文投稿準備が完了している状態である。 また、同時に生成した周波数多重スクイズド光の活用のために非線形光学による周波数域線形回路の構築を行った。ここでは非線形媒質としてType-II PPLN結晶を採用した。この結晶を用いた周波数特性解析実験によって7モード程度の周波数域量子干渉が可能であることを実証した。しかし、高性能の周波数領域干渉のために必要な非線形効果が十分に確保できなかったために、バルクの結晶ではなく導波路構造を新たに採用することにした。そこで、導波路型のPPLN結晶のモード構造およびモード特性を数値解析により特定し、物質材料研究機構・日本碍子との共同研究により実際に導波路PPLN結晶を作製した。 The future goal of this project is to construct a large-scale quantum simulator in a relatively small experimental setup by utilizing frequency-multiplexed quantum states. In this project, we have generated multiplexed quantum states in the frequency domain and developed a linear mixer for these quantum states. First, we experimentally demonstrated the parallel generation of squeezed states in the frequency domain using a dispersion-engineered PPKTP crystal. Similar experiments have been reported even in the previous works. However, we aim to independently control these frequency-multiplexed squeezed lights for the construction of a programmable quantum simulator. For this purpose, we used a dispersion-engineered PPKTP crystal for the generation of frequency-multiplexed squeezed light. By taking advantage of the special property of the PPKTP crystal, quantum states multiplexed in the frequency domain have an independent correspondence to the spectral modes of the pump pulse. As a result, the generated squeezed light was independently manipulated by high-precision pulse shaping technic. We experimentally demonstrated the parallel generation and independent control of frequency-multiplexed squeezed states, and the results have been presented orally at the 40th Annual Conference of the Laser Society of Japan and the 9th "Advanced Lasers and Photon Sources Conference" (ALPS2020). In addition, we also constructed a frequency-domain linear circuit with nonlinear optics. In this experiment, a type-II PPLN crystal is employed as a nonlinear medium. The experimental analysis of joint spectral amplitude using this crystal showed that the 7-mode frequency-multiplexed quantum interference is possible. However, we failed to secure a sufficient amount of the nonlinear effect due to the limited pump power, so we decided to employ a waveguide crystal instead of the bulk crystal. The mode structure and properties of waveguide PPLN crystals were identified by numerical analysis, and waveguide PPLN crystals were actually fabricated in collaboration with National Institute for Materials Science and NGK Insulators.
•Jan 1, 2019•0 citations