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ダイヤモンド中の単一の鉛－空孔センターを用いた二光子干渉実験

太田英岐, 平井紅陽, 陳溢暘, Wang Peng, 宮川仁, 谷口尚, 忍 小野田, 牧野 俊晴, 波多野睦子, 岩﨑　孝之

Published Nov 14, 2025• 0 citations
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Abstract

現在、原理的に盗聴が不可能とされる量子通信の研究が進められている[1]。 量子通信では主に、光子などの量子状態を量子もつれを用いて伝送するという 手法をとり[2]、その光源としてダイヤモンド中のⅣ族元素と空孔の欠陥構造で あるⅣ族－空孔センターが注目されている。その中でも鉛－空孔(PbV)センター は 10 K 以上でフーリエ限界線幅が得られ[3]、9 K 程度でミリ秒のスピンコヒー レンス時間が期待できる[4]。量子もつれの生成に用いる光子は区別不可能と呼 ばれる波長・線幅・偏光の一致した光子である必要があり、量子通信の実現にお いて重要な要素となる。区別不可能性の検証実験として Hong-Ou-Mandel(HOM) 干渉実験があるが、これまで PbV センターを用いて確認された例はない。そこ で本実験では、最初の段階としてひとつの PbV センターを用いての HOM 干渉 実験を行い、その区別不可能性を実証した。

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ダイヤモンド中の鉛-空孔センターにおけるシュタルク効果による波長制御

千田淳貴, 陳溢暘, 宮川仁 +5 more

量子通信は量子もつれを利用した通信手法であり、光子を一つずつ放出する量子 光源が必要となる。ダイヤモンド中の IV 族－空孔センターは、反転対称構造を有 し、高いスペクトル安定性[1]を併せ持つことから、量子光源の有力な候補とされて いる。その中でも鉛－空孔(PbV)センター[2]は、他の IV 族－空孔センターと比較し て 10 K 以上でも限界線幅を維持できる高い光学コヒーレンス性を示す点で注目さ れている[3]。 量子通信の基盤である量子もつれを生成するには、波長、線幅および偏光の一致 した区別不可能な光子を生成することが極めて重要である。本研究では、特に波長 の一致を実現することを目的として、PbV センターに電界を印加することで波長を 能動的に制御可能なシュタルク効果[4,5]に着目した。これまで PbV センターにおけ るシュタルク効果は報告されておらず、本研究では限界線幅に近い線幅を保持した 状態におけるスペクトルチューニングの結果を報告する。

•Nov 14, 2025•0 citations

ダイヤモンド中の鉛－空孔センターからの同一光子生成

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ダイヤモンド中の鉛―空孔(PbV)センターはその優れた光学・スピン特性から量子ネットワーク中のノードとして期待されている。PbVから放出される区別できない同一光子を用いた2光子干渉を観測するためには狭い不均一分布およびPbVの電荷安定性が不可欠である。本研究では、異なるアニール温度で形成したPbVの不均一分布および電荷安定性を調べ、複数のPbVから同一光子を観測することに成功した。

•Sep 20, 2024•0 citations

ダイヤモンド⾊中⼼のノード間接続に向けた不可弁別性の実証

伊藤大輔, 関口雄平, 木村 晃介 +5 more

誤り耐性型量子コンピューターの実現には 数百万量子ビットが必要であるが、超伝導量 子コンピューターの場合、マイクロ波配線か らの熱流入と空間的制約によ り、一つの冷凍機に収容できる量子ビッ ト数が制限される。 この解決策として、我々はダイヤモンド色中 心を用いた量子トランスデューサーによる冷 凍機間の光接続に注目している。光接続は、量子トランスデューサーにより マイク口波光子を通信用光子へ変換した上 で、光子干渉を用いてノード間で量子もつれ 生成を行うことで実現される。 したがって、 変換された光子は不可弁別である必要があ り、これはHong-Ou-Mandel(HOM)干渉によ り確かめることが可能である。本講演では、右図に示した2種類のダイヤ モンド色中心による HOM干渉の報告と、量 子計算への応用を見据えた周波数エラー等に よる物理量子チャネルとしての忠実度劣化に ついて詳細議論を行う。

•Sep 17, 2025•0 citations

Two photon interference using a single lead-vacancy center in diamond

E. Ota, K. Hirai, Y.Q.Chen +7 more

The realization of quantum networks is based on the entanglement of stationary qubits via flying photons. Therefore, a fundamental requirement is a single photon source that can efficiently generate indistinguishable photons for the entanglement generation. The group-IV vacancy centers in diamond have emerged as promising candidates due to their spectral stability benefiting from inversion symmetry and long spin coherence time. In particular, the lead-vacancy (PbV) center exhibits fourier-limited linewidths even above 10 K and is predicted to have millisecond-scale spin coherence time near 9 K, making it suitable for scalable quantum networks. Here, we report the indistinguishability of photons emitted from a single PbV center in diamond through a two-photon interference experiment, known as the Hong-Ou-Mandel (HOM) effect. Fluorescence from the PbV center was split into two paths and recombined at a HOM interferometer. Photon correlations were measured for parallel and orthogonal polarized schemes. In parallel polarization, a clear interference dip below 0.5 at zero time delay was observed, whereas for orthogonal polarization, the correlation function exceeded 0.5. These results confirm the generation of indistinguishable photons from a single PbV center, validating their potential as the solid-state quantum emitter. This work paves the way for the PbV-based application for quantum information processing.

•Mar 17, 2026•0 citations

Enhanced Hong-Ou-Mandel manifolds and figures of merit for linear chains of identical microring resonators

Peter L. Kaulfuss, Paul M. Alsing, A. Matthew Smith +2 more

We present an exact analytic expression for the Hong-Ou-Mandel manifold (HOMM) for any number of identical microring resonators (MRRs) in a linear chain. The HOMM is the higher-dimensional manifold of solutions for which the HOM effect is obtained; for the types of MRR systems investigated in this work, it is a one-dimensional curve. We investigate the extreme stability of this HOMM, showing that the HOM effect in linear arrays of MRRs is highly robust. We further use this expression to derive three figures of merit for the HOMM of linear chains of MRRs: the minimum MRR coupling value ${\ensuremath{\tau}}_{c}$, the curvature of the one-dimensional HOMM ${\overline{\ensuremath{\xi}}}_{N}$, and the 5% tolerance in the probability for complete destructive interference to occur on the HOMM $\ensuremath{\delta}{\ensuremath{\tau}}_{N}$. We promote these metrics to characterize the pros and cons of various linear chains of MRRs and inform design and fabrication.

arXiv:2209.14837•Physical Review Research•May 12, 2023•2 citations

量子欠陥スピンを⽤いた全光型量⼦センシングの理論

大門　俊介, 針井　一哉, 平⽯秀徳 +4 more

本研究では、全光型量子センシングの感度向上を目指し、固体欠陥の蛍光プロセスを理論的側面から解析した。シリコンカーバイド中のシリコン空孔欠陥を対象とし、欠陥近傍に局在した電子がつくる多体電子状態のエネルギー準位に対して、レーザー励起および緩和による軌道遷移に加え、外部磁場によるスピン状態の変化をシミュレートすることで、実験結果をよく再現するモデルの構築に成功した。マイクロ波によるスピン操作がない場合でも内因的な相互作用によりスピン状態が混成し、蛍光強度が変化することを明らかにした。

•Sep 9, 2026•0 citations
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量子通信は量子もつれを利用した通信手法であり、光子を一つずつ放出する量子 光源が必要となる。ダイヤモンド中の IV 族－空孔センターは、反転対称構造を有 し、高いスペクトル安定性[1]を併せ持つことから、量子光源の有力な候補とされて いる。その中でも鉛－空孔(PbV)センター[2]は、他の IV 族－空孔センターと比較し て 10 K 以上でも限界線幅を維持できる高い光学コヒーレンス性を示す点で注目さ れている[3]。 量子通信の基盤である量子もつれを生成するには、波長、線幅および偏光の一致 した区別不可能な光子を生成することが極めて重要である。本研究では、特に波長 の一致を実現することを目的として、PbV センターに電界を印加することで波長を 能動的に制御可能なシュタルク効果[4,5]に着目した。これまで PbV センターにおけ るシュタルク効果は報告されておらず、本研究では限界線幅に近い線幅を保持した 状態におけるスペクトルチューニングの結果を報告する。
ダイヤモンド中の鉛―空孔(PbV)センターはその優れた光学・スピン特性から量子ネットワーク中のノードとして期待されている。PbVから放出される区別できない同一光子を用いた2光子干渉を観測するためには狭い不均一分布およびPbVの電荷安定性が不可欠である。本研究では、異なるアニール温度で形成したPbVの不均一分布および電荷安定性を調べ、複数のPbVから同一光子を観測することに成功した。
誤り耐性型量子コンピューターの実現には 数百万量子ビットが必要であるが、超伝導量 子コンピューターの場合、マイクロ波配線か らの熱流入と空間的制約によ り、一つの冷凍機に収容できる量子ビッ ト数が制限される。 この解決策として、我々はダイヤモンド色中 心を用いた量子トランスデューサーによる冷 凍機間の光接続に注目している。光接続は、量子トランスデューサーにより マイク口波光子を通信用光子へ変換した上 で、光子干渉を用いてノード間で量子もつれ 生成を行うことで実現される。 したがって、 変換された光子は不可弁別である必要があ り、これはHong-Ou-Mandel(HOM)干渉によ り確かめることが可能である。本講演では、右図に示した2種類のダイヤ モンド色中心による HOM干渉の報告と、量 子計算への応用を見据えた周波数エラー等に よる物理量子チャネルとしての忠実度劣化に ついて詳細議論を行う。
The realization of quantum networks is based on the entanglement of stationary qubits via flying photons. Therefore, a fundamental requirement is a single photon source that can efficiently generate indistinguishable photons for the entanglement generation. The group-IV vacancy centers in diamond have emerged as promising candidates due to their spectral stability benefiting from inversion symmetry and long spin coherence time. In particular, the lead-vacancy (PbV) center exhibits fourier-limited linewidths even above 10 K and is predicted to have millisecond-scale spin coherence time near 9 K, making it suitable for scalable quantum networks. Here, we report the indistinguishability of photons emitted from a single PbV center in diamond through a two-photon interference experiment, known as the Hong-Ou-Mandel (HOM) effect. Fluorescence from the PbV center was split into two paths and recombined at a HOM interferometer. Photon correlations were measured for parallel and orthogonal polarized schemes. In parallel polarization, a clear interference dip below 0.5 at zero time delay was observed, whereas for orthogonal polarization, the correlation function exceeded 0.5. These results confirm the generation of indistinguishable photons from a single PbV center, validating their potential as the solid-state quantum emitter. This work paves the way for the PbV-based application for quantum information processing.
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本研究では、全光型量子センシングの感度向上を目指し、固体欠陥の蛍光プロセスを理論的側面から解析した。シリコンカーバイド中のシリコン空孔欠陥を対象とし、欠陥近傍に局在した電子がつくる多体電子状態のエネルギー準位に対して、レーザー励起および緩和による軌道遷移に加え、外部磁場によるスピン状態の変化をシミュレートすることで、実験結果をよく再現するモデルの構築に成功した。マイクロ波によるスピン操作がない場合でも内因的な相互作用によりスピン状態が混成し、蛍光強度が変化することを明らかにした。