松田信幸1,3 Hanna Le Jeannic1 福田浩2,3 土澤泰2,3 山田浩治2,3 武居弘樹1
1量子光物性研究部 2マイクロシステムインテグレーション研究所 3ナノフォトニクスセンタ
量子もつれは量子情報システムにおける基本的なリソースである。とりわけ多くの量子情報処理プロトコルにおいて、光子の偏波（偏光）状態に符号化された量子状態が用いられている。また、シリコン等の基板上に集積された平面光波回路は、安定な経路長や微小な素子サイズを有しており、大規模量子情報処理システムのプラットフォームとして注目されている[1]。したがって、集積光回路中で光の偏波に関する量子状態の生成・操作・検出を行う要素技術の構築は極めて重要となる。我々は、シリコンフォトニクス技術を用い、オンチップ集積型の偏波もつれ光子対源を初めて実現した[2]。
我々の偏波もつれ光子対源は、長さの等しい2本のシリコン細線導波路(SWW)が、シリコン細線に基づいた90°偏波回転素子によって接続されている［図1(a)］。各SWW中では、単結晶シリコンのコアにおける四光波混合過程により、波長1.55 µm帯のH（水平）偏波ポンプ光に対して、同じく波長1.55 µm近傍のH偏波の光子対が生成される。偏波回転素子は、シリコンの第1コアと酸窒化珪素の第2コアを有する偏芯二重コア構造を有し、基板に対して±45°方向に固有軸をもつ複屈折板としてはたらく。したがって適切なデバイス長のもとで、90°の偏波面回転が得られる[3]。この素子に斜め45°偏波のポンプ光を入射することで、素子終端において図1に示すような偏波もつれ光子対が得られる。SWWにおける偏波モード分散や偏波依存光損失は、もつれ光子の純度を低下させる原因である。本素子は各SWWにおけるこれらの影響が自動的に打ち消される構造をとっており、結果として約94 %という高い忠実度を示す量子もつれ状態の生成に成功した。
本研究は科研費の援助を受けて行われた。
[1] A. Peruzzo et al., Science 329 (2010) 1500.
[2] N. Matsuda et al., Sci. Rep. 2 (2012) 817.
[3] H. Fukuda et al., Opt. Express 16 (2008) 2628.
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