相互位相変調を用いた決定論的な単一光子波長変換

松田信幸
量子光物性研究部

 単一光子の波長(周波数、色)の変換は、場面ごとに光子波長の切り替えが必要な量子ネットワークの構築に向けた要素技術である。特に量子通信レートの低下を防ぐためには光子損失を伴わない波長変換技術が必要となる。今回、非線形光学効果の1つである相互位相変調(XPM)を用い、常に損失の生じない波長変換手法を構築した[1]。
 本手法の模式図を図1(a)に示す。XPMにより、光波(制御光)の強度に比例した媒質の屈折率変化を通じ、他の光波(信号光)の位相シフトが生じる。位相シフトが動的に生じるとき、信号光の波長(瞬時周波数)が変化する。このような波の位相の動的制御による周波数変換は、音波のドップラー効果やラジオ波のFM(PM)変調などに類似する。XPMは制御光強度の大小に関わらず必ず生じる現象のため、信号光として単一光子を用いることで、光子損失のない波長変換が容易に可能となる。
 実験では、制御光が発生する雑音光子を抑制しつつも大きな波長変換量を得ることのできる分散特性を有するフォトニック結晶ファイバ(PCF)を非線形媒質として用い、通信波長帯において3.2 nm (0.4 THz)程度の波長変化を単一光子に付与することに成功した。波長変換に伴う光子損失は実際に観測されなかった。これはXPM過程そのものが無損失であることに加え、XPM以外の損失要因であるPCFの石英コアにおける非線形吸収が、実験波長帯において無視できるほど小さいこと[2]に起因する。さらに本手法を応用し、2光子の間の波長の相関[図1(b)]や量子もつれといった量子的な性質の変換に成功した。また、波長の異なる2光子の波長を揃え、光子間の非古典的な干渉を回復させることにも成功した。これら一連の結果は、本手法が通信に加え、計測や計算[3]を含む広範な光量子情報技術へ応用可能であることを示している。
 本研究は科研費の援助を受けて行われた。

図1 (a)波長変換の模式図。 (b)2光子周波数相関の変換。(左)変換前。(右)光子1に波長シフトを付与した結果、2光子の相関スペクトル全体をシフトさせることに成功した。