2022/05/18 更新

写真a

アオキ タカオ
青木 隆朗
所属
理工学術院 先進理工学部
職名
教授

兼担

  • 理工学術院   大学院先進理工学研究科

学内研究所等

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学位

  • 東京大学   博士(工学)

 

論文

  • Efficient Single-Photon Coupling from a Nitrogen-Vacancy Center Embedded in a Diamond Nanowire Utilizing an Optical Nanofiber

    Yuya Yonezu, Kentaro Wakui, Kentaro Furusawa, Masahiro Takeoka, Kouichi Semba, Takao Aoki

    SCIENTIFIC REPORTS   7 ( 1 )  2017年10月  [査読有り]

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    Nitrogen-Vacancy (NV) centers in diamond are promising solid-state quantum emitters that can be utilized for photonic quantum applications. Various diamond nanophotonic devices have been fabricated for efficient extraction of single photons emitted from NV centers to a single guided mode. However, for constructing scalable quantum networks, further efficient coupling of single photons to a guided mode of a single-mode fiber (SMF) is indispensable and a difficult challenge. Here, we propose a novel efficient hybrid system between an optical nanofiber and a cylindrical-structured diamond nanowire. The maximum coupling efficiency as high as 75% for the sum of both fiber ends is obtained by numerical simulations. The proposed hybrid system will provide a simple and efficient interface between solid-state quantum emitters and a SMF suitable for constructing scalable quantum networks.

    DOI

  • Simple method for fabrication of diamond nanowires by inductively coupled plasma reactive ion etching

    Kentaro Wakui, Yuya Yonezu, Takao Aoki, Masahiro Takeoka, Kouichi Semba

    JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS   56 ( 5 )  2017年05月  [査読有り]

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    Diamond nanowires are fabricated on a bulk, single crystalline diamond near an edge of aluminum coating using inductively coupled plasma reactive ion etching. Two different density areas are simultaneously appeared where the dense area has 9 times higher density than that of the sparse area while keeping the size of nanowires almost uniform in these areas. The nanowire sizes realized in the dense (sparse) area are 858 +/- 22nm (876 +/- 25nm) in height and 126 +/- 6 nm (124 +/- 7 nm) in diameter, which is suitable for applications in optical quantum information processing. (C) 2017 The Japan Society of Applied Physics

    DOI

  • Free-space optical channel estimation for physical layer security

    Hiroyuki Endo, Mikio Fujiwara, Mitsuo Kitamura, Toshiyuki Ito, Morio Toyoshima, Yoshihisa Takayama, Hideki Takenaka, Ryosuke Shimizu, Nicola Laurenti, Giuseppe Vallone, Paolo Villoresi, Takao Aoki, Masahide Sasaki

    OPTICS EXPRESS   24 ( 8 ) 8940 - 8955  2016年04月  [査読有り]

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    We present experimental data on message transmission in a free-space optical (FSO) link at an eye-safe wavelength, using a testbed consisting of one sender and two receiver terminals, where the latter two are a legitimate receiver and an eavesdropper. The testbed allows us to emulate a typical scenario of physical-layer (PHY) security such as satellite-to-ground laser communications. We estimate information-theoretic metrics including secrecy rate, secrecy outage probability, and expected code lengths for given secrecy criteria based on observed channel statistics. We then discuss operation principles of secure message transmission under realistic fading conditions, and provide a guideline on a multi-layer security architecture by combining PHY security and upper-layer (algorithmic) security. (C) 2016 Optical Society of America

    DOI

  • 19pBJ-11 超低損失ナノファイバーを介したレーザー冷却原子の非線形光学応答

    千賀 功平, 松橋 悠汰, 加藤 真也, 青木 隆朗

    日本物理学会講演概要集   71 ( 0 )  2016年

    CiNii

  • 19pBJ-11 超低損失ナノファイバーを介したレーザー冷却原子の非線形光学応答

    千賀 功平, 松橋 悠汰, 加藤 真也, 青木 隆朗

    日本物理学会講演概要集   71 ( 0 )  2016年

    CiNii

  • Time-resolved observation of coherent excitonic nonlinear response with a table-top narrowband THz pulse wave

    K. Uchida, H. Hirori, T. Aoki, C. Wolpert, T. Tamaya, K. Tanaka, T. Mochizuki, C. Kim, M. Yoshita, H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, K. W. West

    APPLIED PHYSICS LETTERS   107 ( 22 )  2015年11月  [査読有り]

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    By combining a tilted-pulse-intensity-front scheme using a LiNbO3 crystal and a chirped-pulsebeating method, we generated a narrowband intense terahertz (THz) pulse, which had a maximum electric field of more than 10 kV/cm at around 2 THz, a bandwidth of similar to 50 GHz, and frequency tunability from 0.5 to 2 THz. By performing THz-pump and near-infrared-probe experiments on GaAs quantum wells, we observed that the resonant excitation of the intraexcitonic 1s-2p transition induces a clear and large Autler-Townes splitting. Our time-resolved measurements show that the splitting energy observed in the rising edge region of electric field is larger than in the constant region. This result implies that the splitting energy depends on the time-averaged THz field over the excitonic dephasing time rather than that at the instant of the exciton creation by a probe pulse. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

    DOI

  • Numerical Study on Secrecy Capacity and Code Length Dependence of the Performances in Optical Wiretap Channels

    H. Endo, T. S. Han, T. Aoki, M. Sasaki

    IEEE PHOTONICS JOURNAL   7 ( 5 )  2015年10月  [査読有り]

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    Secrecy issues of free-space optical links realizing information theoretically secure communications and high transmission rates are discussed. We numerically study secrecy communication rates of optical wiretap channel based on on-off keying (OOK) modulation under typical conditions met in satellite-ground links. It is shown that, under reasonable degraded conditions on a wiretapper, information theoretically secure communications should be possible in a much wider distance range than a range limit of quantum key distribution, enabling secure optical links between geostationary Earth orbit satellites and ground stations with currently available technologies. We also provide the upper bounds on the decoding error probability and the leaked information to estimate a necessary code length for given required levels of performances. This result ensures that a reasonable length of wiretap channel code for our proposed scheme must exist.

    DOI

  • Numerical Study on Secrecy Capacity and Code Length Dependence of the Performances in Optical Wiretap Channels

    H. Endo, T. S. Han, T. Aoki, M. Sasaki

    IEEE PHOTONICS JOURNAL   7 ( 5 )  2015年10月

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    Secrecy issues of free-space optical links realizing information theoretically secure communications and high transmission rates are discussed. We numerically study secrecy communication rates of optical wiretap channel based on on-off keying (OOK) modulation under typical conditions met in satellite-ground links. It is shown that, under reasonable degraded conditions on a wiretapper, information theoretically secure communications should be possible in a much wider distance range than a range limit of quantum key distribution, enabling secure optical links between geostationary Earth orbit satellites and ground stations with currently available technologies. We also provide the upper bounds on the decoding error probability and the leaked information to estimate a necessary code length for given required levels of performances. This result ensures that a reasonable length of wiretap channel code for our proposed scheme must exist.

    DOI

  • 18pBA-5 回折格子型分光器を用いたサブピクセル分解能を持つ波長計II

    楠崎 晃司, 青木 隆朗

    日本物理学会講演概要集   70 ( 2 )  2015年09月

    CiNii

  • 17aAC-9 トラップされた単一Cs原子とナノファイバー光共振器の強結合の実現

    加藤 真也, 青木 隆朗

    日本物理学会講演概要集   70 ( 2 )  2015年09月

    CiNii

  • Strong Coupling between a Trapped Single Atom and an All-Fiber Cavity

    Kato, Shinya, Aoki, Takao

    Physical Review Letters   115 ( 9 )  2015年08月

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    © 2015 American Physical Society.We demonstrate an all-fiber cavity quantum electrodynamics system with a trapped single atom in the strong coupling regime. We use a nanofiber Fabry-Perot cavity, that is, an optical nanofiber sandwiched by two fiber-Bragg-grating mirrors. Measurements of the cavity transmission spectrum with a single atom in a state-insensitive nanofiber trap clearly reveal the vacuum Rabi splitting.

    DOI

  • Time-bin entangled photon pair generation from Si micro-ring resonator

    Ryota Wakabayashi, Mikio Fujiwara, Ken-ichiro Yoshino, Yoshihiro Nambu, Masahide Sasaki, Takao Aoki

    OPTICS EXPRESS   23 ( 2 ) 1103 - 1113  2015年01月  [査読有り]

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    We demonstrate time-bin entanglement generation in telecom wavelength using a 7 mu m radius Si micro-ring resonator pumped by a continuous wave laser. The resonator structure can enhance spontaneous four wave mixing, leading to a photon pair generation rate of about 90-100 Hz with a laser pump power of as low as -3.92 dBm (0.41 mW). We succeed in observing time-bin entanglement with the visibility over 92%. Moreover, wavelength-tunability of the entangled photon pair is demonstrated by changing the operation temperature. (C) 2015 Optical Society of America

    DOI

  • Microtoroidal cavity QED with fiber overcoupling and strong atom-field coupling: A single-atom quantum switch for coherent light fields

    Scott Parkins, Takao Aoki

    PHYSICAL REVIEW A   90 ( 5 )  2014年11月  [査読有り]

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    We propose a scheme for single-atom, quantum control of the direction of propagation of a coherent field incident, via a tapered fiber, upon a microtoroidal whispering-gallery-mode (WGM) resonator. The scheme involves overcoupling of the fiber taper to the resonator and strong coupling of an atom to the evanescent field of the WGM, i.e., an atom-field coupling that exceeds the total WGM linewidth. In contrast to previous, related schemes that operate in the bad-cavity regime, the proposed scheme can operate effectively with much stronger incident fields, while also preserving their coherent nature. It can also serve to prepare an entangled state of the atom and coherent optical pulses propagating in opposite directions along the fiber. We evaluate the fidelity of preparation of such a state taking into account absorption and atomic spontaneous emission and demonstrate that high fidelities should be possible with realistic parameters.

    DOI

  • Ultra-low-loss tapered optical fibers with minimal lengths

    Ryutaro Nagai, Takao Aoki

    OPTICS EXPRESS   22 ( 23 ) 28427 - 28436  2014年11月  [査読有り]

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    We design and fabricate ultra-low-loss tapered optical fibers (TOFs) with minimal lengths. We first optimize variations of the torch scan length using the flame-brush method for fabricating TOFs with taper angles that satisfy the adiabaticity criteria. We accordingly fabricate TOFs with optimal shapes and compare their transmission to TOFs with a constant taper angle and TOFs with an exponential shape. The highest transmission measured for TOFs with an optimal shape is in excess of 99.7% with a total TOF length of only 23 mm, whereas TOFs with a constant taper angle of 2 mrad reach 99.6% transmission for a 63 mm TOF length. (C) 2014 Optical Society of America

    DOI

  • Elimination of the chirp of narrowband terahertz pulses generated by chirped pulse beating using a tandem grating pair laser pulse stretcher

    Tetsuya Yoshida, Shohei Kamada, Takao Aoki

    OPTICS EXPRESS   22 ( 19 ) 23679 - 23685  2014年09月  [査読有り]

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    We study the elimination of the chirp of narrowband terahertz pulses generated by chirped laser pulse beating using a laser pulse stretcher with two grating pairs that cancel out the third-order spectral phase. First, we show that positively chirped terahertz pulses can be generated using a pulse stretcher with a grating pair and internal lenses. We then combine this with a second grating pair, the spectral phase of which has the opposite sign to that of the first one. By varying the separation of the second grating pair, we experimentally verify that the chirp of the generated terahertz pulses can be eliminated. (C) 2014 Optical Society of America

    DOI

  • Efficient Single-Mode Photon-Coupling Device Utilizing a Nanofiber Tip

    Sho Chonan, Shinya Kato, Takao Aoki

    SCIENTIFIC REPORTS   4  2014年04月  [査読有り]

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    Single-photon sources are important elements in quantum optics and quantum information science. It is crucial that such sources be able to couple photons emitted from a single quantum emitter to a single propagating mode, preferably to the guided mode of a single-mode optical fiber, with high efficiency. Various photonic devices have been successfully demonstrated to efficiently couple photons from an emitter to a single mode of a cavity or a waveguide. However, efficient coupling of these devices to optical fibers is sometimes challenging. Here we show that up to 38% of photons from an emitter can be directly coupled to a single-mode optical fiber by utilizing the flat tip of a silica nanofiber. With the aid of a metallic mirror, the efficiency can be increased to 76%. The use of a silicon waveguide further increases the efficiency to 87%. This simple device can be applied to various quantum emitters.

    DOI

  • The chirp-control of frequency-tunable narrowband terahertz pulses by nonlinearly chirped laser pulse beating

    Shohei Kamada, Tetsuya Yoshida, Takao Aoki

    APPLIED PHYSICS LETTERS   104 ( 10 )  2014年03月  [査読有り]

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    We demonstrate a method for controlling the chirp of the frequency-tunable narrowband terahertz pulses that are generated by photomixing with nonlinearly chirped laser pulse pairs. We find that in a grating-based laser-pulse stretcher, the frequency sweep rates of the generated terahertz pulses can be controlled by simply changing the incident angle. This method is also applicable to other mechanisms of terahertz pulse generation. (C) 2014 AIP Publishing LLC.

    DOI

  • Guided resonance fluorescence of a single emitter after pulsed excitation

    Kazuki Koshino, Takao Aoki

    PHYSICAL REVIEW A   89 ( 2 )  2014年02月  [査読有り]

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    We theoretically investigated a microtoroidal cavity quantum electrodynamics system in which radiation from the emitter is nearly perfectly guided into a fiber mode, and analyzed the resonance fluorescence from the emitter after pulsed excitation. We derived analytic formulas to rigorously evaluate the photon statistics of the pulse emitted into the fiber, and clarified the conditions needed for the excitation pulse to generate single- and two-photon pulses.

    DOI

  • High-numerical-aperture microlensed tip on an air-clad optical fiber

    Shinya Kato, Sho Chonan, Takao Aoki

    OPTICS LETTERS   39 ( 4 ) 773 - 776  2014年02月  [査読有り]

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    We show that a hemispherically shaped tip on an air-clad optical fiber simultaneously works as a high-numerical-aperture lens and efficiently collects photons from an emitter placed near the beam waist into the fundamental guided mode. Numerical simulations show that the coupling efficiency reaches about 25%. We have constructed a confocal microscope with such a lensed fiber. The measurements are in good agreement with the numerical simulation. The monolithic structure with a high-photon-collection efficiency will provide a flexible substitute for a conventional lens system in various experiments such as single-atom trapping with a tightly focused optical trap. (C) 2014 Optical Society of America

    DOI

  • On the Chirp of Narrowband Terahertz Pulses Generated by Photomixing with Nonlinearly Chirped Laser Pulse Pairs (vol 6, 032701, 2013)

    Shohei Kamada, Shuhei Murata, Takao Aoki

    APPLIED PHYSICS EXPRESS   7 ( 2 )  2014年02月  [査読有り]

    DOI

  • Efficient single-mode photon-coupling device utilizing a nanofiber tip.

    Chonan Sho, Kato Shinya, Aoki Takao

    Efficient single-mode photon-coupling device utilizing a nanofiber tip.   4  2014年  [査読有り]

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    :Single-photon sources are important elements in quantum optics and quantum information science. It is crucial that such sources be able to couple photons emitted from a single quantum emitter to a single propagating mode, preferably to the guided mode of a single-mode optical fiber, with high efficiency. Various photonic devices have been successfully demonstrated to efficiently couple photons from an emitter to a single mode of a cavity or a waveguide. However, efficient coupling of these devices to optical fibers is sometimes challenging. Here we show that up to 38% of photons from an emitter can be directly coupled to a single-mode optical fiber by utilizing the flat tip of a silica nanofiber. With the aid of a metallic mirror, the efficiency can be increased to 76%. The use of a silicon waveguide further increases the efficiency to 87%. This simple device can be applied to various quantum emitters.

    DOI

  • Fiber-based pulse stretcher for narrowband terahertz pulse generation with a chirped-pulse beating method

    Tetsuya Yoshida, Shohei Kamada, Shuhei Murata, Takao Aoki

    Applied Physics Letters   103 ( 15 )  2013年10月

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    We theoretically show that it is possible to generate chirp-free terahertz (THz) pulses with a chirped-pulse beating method by using an optical fiber as a pulse stretcher. Proper choices of the core radius and the dopant fraction of the core material of a step-index single-mode optical fiber eliminate the third-order spectral phase of the fiber, thus giving the pump laser pulse a purely linear chirp. We also show that even a standard commercial single-mode optical fiber can give THz pulses of lower chirp than the lower limit for a grating pair. We perform experiments to verify our theory. © 2013 AIP Publishing LLC.

    DOI

  • Whispering-Gallery Mode 微小共振器を用いた共振器QED

    青木 隆朗

    レーザー研究   41 ( 7 ) 497 - 501  2013年07月

    CiNii

  • ナノファイバー端を用いた単一光子源からの高効率集光(量子光学,非線形光学,超高速現象,レーザ基礎,及び一般)

    長南 翔, 加藤 真也, 青木 隆朗

    電子情報通信学会技術研究報告. LQE, レーザ・量子エレクトロニクス   113 ( 49 ) 31 - 34  2013年05月

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    光子を用いた量子暗号・量子情報技術には単一光子源の放射する光子を高効率で集め、単一モード光ファイバーに導波する技術が必要である。本研究ではナノファイバーを切断した端を用いた新しい高効率集光デバイスを提案する。我々はナノファイバー端を用いた集光デバイスについての数値シミュレーションを行い、点光源から最大38%の効率で光子をナノファイバーの基本導波モードに集めることができることを示した。このデバイスにより、一般的な集光方法であるレンズを用いた方法では実現できないような高い効率での微小発光体からの集光・集めた光の単一モード光ファイバーへの導波を実現することができ、高効率な単一光子源への応用が期待される。

    CiNii

  • On the Chirp of Narrowband Terahertz Pulses Generated by Photomixing with Nonlinearly Chirped Laser Pulse Pairs

    Shohei Kamada, Shuhei Murata, Takao Aoki

    APPLIED PHYSICS EXPRESS   6 ( 3 )  2013年03月  [査読有り]

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    The spectral linewidth and intensity of narrowband terahertz pulses generated by photomixing with beating of nonlinearly chirped laser pulse pairs are studied. The direct relationship between the dispersion of the pump pulse stretcher and the chirp of the terahertz pulse is shown. Simple analytical expressions for the linewidth and intensity of the terahertz spectrum are obtained and their validity is confirmed by numerical simulations. Generation of narrowband terahertz pulses with minimal chirp is demonstrated. (C) 2013 The Japan Society of Applied Physics

    DOI

  • Properties of a Single Photon Generated by a Solid-State Emitter: Effects of Pure Dephasing

    Eiki Iyoda, Takeo Kato, Takao Aoki, Keiichi Edamatsu, Kazuki Koshino

    JOURNAL OF THE PHYSICAL SOCIETY OF JAPAN   82 ( 1 )  2013年01月  [査読有り]

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    We investigate the properties of a single photon generated by a solid-state emitter subject to strong pure dephasing. We employ a model in which all the elements of the system, including the propagating fields, are treated quantum mechanically. We analytically derive the density matrix of the emitted photon, which contains full information about the photon, such as its pulse profile, power spectrum, and purity. We visualize these analytical results using realistic parameters and reveal the conditions for maximizing the purity of generated photons.

    DOI

  • Strong interactions of single atoms and photons near a dielectric boundary

    D. J. Alton, N. P. Stern, Takao Aoki, H. Lee, E. Ostby, K. J. Vahala, H. J. Kimble

    NATURE PHYSICS   7 ( 2 ) 159 - 165  2011年02月  [査読有り]

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    Cavity quantum electrodynamics provides the setting for quantum control of strong interactions between a single atom and one photon. Many such atom-cavity systems interacting by coherent exchanges of single photons could be the basis for scalable quantum networks. However, moving beyond current proof-of-principle experiments involving just one or two conventional optical cavities requires the localization of individual atoms at distances less than or similar to 100 nm from a resonator's surface. In this regime an atom can be strongly coupled to a single intracavity photon while at the same time experiencing significant radiative interactions with the dielectric boundaries of the resonator. Here, we report using real-time detection and high-bandwidth feedback to select and monitor single caesium atoms located similar to 100 nm from the surface of a microtoroidal optical resonator. Strong radiative interactions of atom and cavity field probe atomic motion through the evanescent field of the resonator and reveal both the significant role of Casimir-Polder attraction and the manifestly quantum nature of the atom-cavity dynamics.

    DOI

  • Fabrication of Ultralow-Loss Tapered Optical Fibers and Microtoroidal Resonators

    T. Aoki

    Jpn. J. Appl. Phys.   49   118001  2010年  [査読有り]

  • Quantum error correction beyond qubits

    Takao Aoki, Go Takahashi, Tadashi Kajiya, Jun-ichi Yoshikawa, Samuel L. Braunstein, Peter van Loock, Akira Furusawa

    NATURE PHYSICS   5 ( 8 ) 541 - 546  2009年08月  [査読有り]

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    Quantum computation and communication rely on the ability to manipulate quantum states robustly and with high fidelity. To protect fragile quantum-superposition states from corruption through so-called decoherence noise, some form of error correction is needed. Therefore, the discovery of quantum error correction(1,2) (QEC) was a key step to turn the field of quantum information from an academic curiosity into a developing technology. Here, we present an experimental implementation of a QEC code for quantum information encoded in continuous variables, based on entanglement among nine optical beams(3). This nine-wave-packet adaptation of Shor's original nine-qubit scheme(1) enables, at least in principle, full quantum error correction against an arbitrary single-beam error.

    DOI

  • Efficient Routing of Single Photons by One Atom and a Microtoroidal Cavity

    T. Aoki, A. S. Parkins, D. J. Alton, C. A. Regal, B. Dayan, E. Ostby, K. J. Vahala, H. J. Kimble

    Phys. Rev. Lett.   102   083601  2009年  [査読有り]

  • A photon turnstile dynamically regulated by one atom

    Barak Dayan, A. S. Parkins, Takao Aoki, E. P. Ostby, K. J. Vahala, H. J. Kimble

    SCIENCE   319 ( 5866 ) 1062 - 1065  2008年02月  [査読有り]

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    Beyond traditional nonlinear optics with large numbers of atoms and photons, qualitatively new phenomena arise in a quantum regime of strong interactions between single atoms and photons. By using a microscopic optical resonator, we achieved such interactions and demonstrated a robust, efficient mechanism for the regulated transport of photons one by one. With critical coupling of the input light, a single atom within the resonator dynamically controls the cavity output conditioned on the photon number at the input, thereby functioning as a photon turnstile. We verified the transformation from a Poissonian to a sub- Poissonian photon stream by photon counting measurements of the input and output fields. The results have applications in quantum information science, including for controlled interactions of single light quanta and for scalable quantum processing on atom chips.

    DOI

  • Generation of continuous-wave broadband entangled beams using periodically-poled lithium niobate waveguides

    K. Yoshino, T. Aoki, A. Furusawa

    Appl. Phys. Lett.   90   041111  2007年  [査読有り]

  • Observation of strong coupling between one atom and a monolithic microresonator

    Takao Aoki, Barak Dayan, E. Wilcut, W. P. Bowen, A. S. Parkins, T. J. Kippenberg, K. J. Vahala, H. J. Kimble

    NATURE   443 ( 7112 ) 671 - 674  2006年10月  [査読有り]

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    Over the past decade, strong interactions of light and matter at the single-photon level have enabled a wide set of scientific advances in quantum optics and quantum information science. This work has been performed principally within the setting of cavity quantum electrodynamics(1-4) with diverse physical systems(5), including single atoms in Fabry-Perot resonators(1,6), quantum dots coupled to micropillars and photonic bandgap cavities(7,8) and Cooper pairs interacting with superconducting resonators(9,10). Experiments with single, localized atoms have been at the forefront of these advances(11-15) with the use of optical resonators in high-finesse Fabry-Perot configurations(16). As a result of the extreme technical challenges involved in further improving the multilayer dielectric mirror coatings(17) of these resonators and in scaling to large numbers of devices, there has been increased interest in the development of alternative microcavity systems(5). Here we show strong coupling between individual caesium atoms and the fields of a high-quality toroidal microresonator. From observations of transit events for single atoms falling through the resonator's evanescent field, we determine the coherent coupling rate for interactions near the surface of the resonator. We develop a theoretical model to quantify our observations, demonstrating that strong coupling is achieved, with the rate of coherent coupling exceeding the dissipative rates of the atom and the cavity. Our work opens the way for investigations of optical processes with single atoms and photons in lithographically fabricated microresonators. Applications include the implementation of quantum networks(18,19), scalable quantum logic with photons(20), and quantum information processing on atom chips(21).

    DOI

  • Squeezing at 946nm with periodically poled KTiOPO4

    Takao Aoki, Go Takahashi, Akira Furusawa

    OPTICS EXPRESS   14 ( 15 ) 6930 - 6935  2006年07月  [査読有り]

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    We report generation of squeezed vacuum in sideband modes of continuous-wave light at 946nm using a periodically poled KTiOPO4 crystal in an optical parametric oscillator. At the pump power of 250mW, we observe the squeezing level of -5.6 +/- 0.1dB and the anti- squeezing level of + 12.7 +/- 0.1dB. The pump power dependence of the observed squeezing/anti- squeezing levels agrees with theoretically calculated values when phase fluctuation of locking is taken into account. (c) 2006 Optical Society of America.

  • Demonstration of Quantum Telecloning of Optical Coherent States

    S. Koike, H. Takahashi, H. Yonezawa, N. Takei, S.L. Braunstein, T. Aoki, A. Furusawa

    Phys. Rev. Lett.   96   060504  2006年  [査読有り]

  • High-fidelity teleportation beyond the no-cloning limit and entanglement swapping for continuous variables

    N. Takei, H. Yonezawa, T. Aoki, A. Furusawa

    Phys. Rev. Lett.   94   220502  2005年  [査読有り]

  • Experimental demonstration of quantum teleportation of a squeezed state

    N. Takei, T. Aoki, S. Koike, K. Yoshino, K. Wakui, H. Yonezawa, T. Hiraoka, J. Mizuno, M. Takeoka, M. Ban, A. Furusawa

    Phys. Rev. A   72   042304  2005年  [査読有り]

  • Demonstration of a quantum teleportation network for continuous variables

    H Yonezawa, T Aoki, A Furusawa

    NATURE   431 ( 7007 ) 430 - 433  2004年09月  [査読有り]

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    Quantum teleportation(1-8) involves the transportation of an unknown quantum state from one location to another, without physical transfer of the information carrier. Although quantum teleportation is a naturally bipartite process, it can be extended to a multipartite protocol known as a quantum teleportation network(9). In such a network, entanglement is shared between three or more parties. For the case of three parties ( a tripartite network), teleportation of a quantum state can occur between any pair, but only with the assistance of the third party. Multipartite quantum protocols are expected to form fundamental components for larger-scale quantum communication and computation(10,11). Here we report the experimental realization of a tripartite quantum teleportation network for quantum states of continuous variables ( electromagnetic field modes). We demonstrate teleportation of a coherent state between three different pairs in the network, unambiguously demonstrating its tripartite character.

    DOI

  • Biexcitonic effects in the time integrated four-wave mixing with picosecond pulses

    T. Aoki, Yu. P. Svirko, M. Kuwata-Gonokami

    Solid State Commun   127   197  2003年  [査読有り]

  • Experimental creation of a fully inseparable tripartite continuous-variable state

    T. Aoki, N. Takei, H. Yonezawa, K. Wakui, T. Hiraoka, A. Furusawa, P. van Loock

    Phys. Rev. Lett.   91   080404  2003年  [査読有り]

  • Coherent exciton-biexciton dynamics in GaN

    K. Kyhm, R. A. Taylor, J. F. Ryan, T. Aoki, M. Kuwata-Gonokami, B. Beaumon, P. Gibart

    Phys. Rev. B   65   193102  2002年  [査読有り]

  • Comparison of exciton-biexciton with bound exciton-biexciton dynamics in GaN: Quantum beats and temperature dependence of the acoustic-phonon interaction

    K. Kyhm, R. A. Taylor, J. F. Ryan, T. Aoki, M. Kuwata-Gonokami, B. Beaumon, P. Gibart

    Phys. Status Solidi B   228   475  2001年  [査読有り]

  • Quantum beats of free and bound excitons in GaN

    K. Kyhm, R. A. Taylor, J. F. Ryan, T. Aoki, M. Kuwata-Gonokami, B. Beaumon, P. Gibart

    Appl. Phys. Lett.   79   1097  2001年  [査読有り]

  • Room-temperature random telegraph noise in luminescence from macroscopic InGaN clusters

    T. Aoki, Y. Nishikawa, M. Kuwata-Gonokami

    Appl. Phys. Lett.   78   1065  2001年  [査読有り]

  • Time-integrated four-wave mixing in GaN and ZnSe: Polarization-sensitive phase shift of excitonic quantum beats

    T. Aoki, G. Mohs, Yu. P. Svirko, M. Kuwata-Gonokami

    Phys. Rev. B   64   045212  2001年  [査読有り]

  • Quantitaitve study of exciton-exciton interaction in a GaAs microcavity

    C. Ramkumar, T. Aoki, R. Shimano, Yu. P. Svirko, T. Kise, T. Someya, H. Sakaki, M. Kuwata-Gonokami

    J. Phys. Soc. Jpn.   69   2439  2000年  [査読有り]

  • Role of exciton-exciton interaction on resonant third-order nonlinear optical responses

    M. Kuwata-Gonokami, T. Aoki, C. Ramkumar, R. Shimano, Yu. P. Svirko

    J. Lumin.   87   162  2000年  [査読有り]

  • Influence of exciton-exciton interaction on quantum beats

    T. Aoki, G. Mohs, M. Kuwata-Gonokami, A. A. Yamaguchi

    Phys. Rev. Lett.   82   3108  1999年  [査読有り]

  • On the gain mechanism in GaN based laser diodes

    G. Mohs, T. Aoki, R. Shimano, M. Kuwata-Gonokami, S. Nakamura

    Solid State Commun   109   105  1998年  [査読有り]

  • Polarization dependent quantum beats of homogeneously broadened excitons

    Takao Aoki, Georg Mohs, Takeshi Ogasawara, Ryo Shimano, Makoto Kuwata-Gonokami

    OPTICS EXPRESS   1 ( 12 ) 364 - 369  1997年12月  [査読有り]

     概要を見る

    The polarization dependence of quantum beats from the A-exciton and the B-exciton in a GaN sample of exceptional quality is studied with four-wave mixing experiments. When changing the incident polarizations from collinear to crossed linear, a pi-phase shift of the beats is observed while the decay rate remains unchanged. This confirms previous theoretical predictions. (C) 1997 Optical Society of America

    DOI

  • Failure of the modal gain model in a GaN based laser diode

    G. Mohs, T. Aoki, T. Nagai, R. Shimano, M. Kuwata-Gonokami, S. Nakamura

    Solid State Commun   104   643  1997年  [査読有り]

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産業財産権

  • 光子生成装置

    青木 隆朗

    特許権

  • 量子計算ユニット、単一光子源、および量子計算装置

    青木 隆朗

    特許権

  • 光子生成装置

    青木 隆朗, 宇津木 健

    特許権

  • 量子もつれ生成装置及び方法

    青木 隆朗

    特許権

  • 量子ゲート装置および量子計算方法

    青木 隆朗

    特許権

  • 集光部

    長南 翔, 青木 隆朗

    特許権

  • チャープ制御方法及びチャープ制御装置

    青木 隆朗, 鎌田 祥平

    特許権

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 時間領域多重2次元大規模連続量クラスター状態生成とその応用に関する研究

    研究期間:

    2018年04月
    -
    2023年03月
     

     概要を見る

    過去に提案されていたセットアップを実験が最もやり易いかたちに改良し実現した。そして、時間無制限2次元大規模連続量クラスター状態生成に成功した。その論文はScience誌に掲載された(W. Asavanant et al., Science 366, 373 (2019))。過去に提案されていたセットアップでは、光学遅延(delay)を光パルスの時間幅の5倍とすると、6ノードのスパイラル状の連続量クラスター状態となるが、改良したセットアップでは、5ノードのスパイラル状の連続量クラスター状態となる。このように1ノード減ってしまうが、このかたちにすることにより、大きなメリットがある。新しいセットアップでは、真ん中のビームスプリッターを挟んで、1次元クラスター状態生成のセットアップを単純に2倍しているだけであり、これまでの制御法を多少改良するだけでそのまま使えることから、圧倒的に実験が容易になる。実際、セットアップの半分のみで1次元クラスター状態生成の実験を行い、次に残りの半分で1次元クラスター状態生成の実験を行い、最後に真ん中のビームスプリッターを用いて、2次元クラスター状態生成実験を行った。このようにシステマティックに行うことができ、制御も非常に容易となる。このように実験を行い、2次元大規模連続量クラスター状態の生成に成功した。この2次元クラスター状態のサイズは5×5000パルスであり、大規模2次元クラスター状態と呼べるものであった。2次元クラスター状態の検証には、van Loock-Furusawa判定基準を用いた(P. van Loock and A. Furusawa, Phys. Rev. A 67, 052315 (2003))。研究開始2年目で、本研究の中心課題である2次元大規模連続量クラスター状態生成に成功し、その論文がScience誌に掲載された(W. Asavanant et al., Science 366, 373 (2019))から。もう少し詳しく言うと、【研究実績の概要】に記したように、過去に提案されていたセットアップをかたちに改良し実現した。そして、時間無制限2次元大規模連続量クラスター状態生成に成功した。また、2次元クラスター状態の検証に、我々が初めて提案したvan Loock-Furusawa判定基準を用いることを思いつき、それを実行した。(令和2年4月~令和3年2月)前年度に生成に成功した2次元大規模連続量クラスター状態の高性能化ための研究開発を行う。1.広帯域高レベルスクイーズド光の更なる高レベル化、2.光ファイバー光学系による実験系の再構築。前年度に引き続きアダプティブヘテロダイン測定のための補助状態生成技術開発を行う。1.超伝導光子数識別器作製のためのスパッタリング装置調整、2.共振器QED系調整。(令和3年3月)令和2年度のまとめを行う

  • 多原子と多光子の強結合ハイブリッド量子系の研究

    研究期間:

    2018年04月
    -
    2020年03月
     

     概要を見る

    平成31年度は、多原子強結合共振器QED系を独立に2台構築し、それらを光ファイバーで連結した結合共振器QED系を構築した。前年度と同様、ナノ光ファイバーは、研究代表者が開発したフレームブラシ法に基づく方法により作製した。具体的には、トーチのスキャンプロファイルを最適化し、長さ3mm程度のウェイスト部を持つナノファイバーを作製した。さらに、作製したナノファイバー共振器を新規に設計・作製した金属製真空チャンバーに導入した。真空チャンバー内に生成した磁気光学トラップ中の原子を、ナノファイバー共振器のウェイスト部における2色双極子トラップにロードし、多原子強結合共振器QED系を構築した。このようにして構築した2台の多原子強結合共振器QED系を光ファイバーで連結し、結合共振器QED系を構築した。構築した全ファイバー結合共振器QED系に対して、原子と光子のコヒーレント相互作用により形成される5つの固有モードを全て分光学的に測定・同定することに成功した。これら5つの固有モードは、明モード、ファイバー暗モード、共振器暗モードに分類される。本研究の最も特筆すべき成果は、共振器暗モードを初めて観測したことにある。一般に暗モードは、コヒーレント結合系における複数の励起の破壊的な干渉により特定の励起が抑制されたモードであるが、本研究で観測した共振器暗モードは、原子からの放射とファイバーからの放射の破壊的な干渉により、原子が存在する共振器中の光子の励起が抑制されたモードである。これは、原子は励起されているにもかかわらず、局所的には電磁場にさらされていない、極めて特異なモードである。さらに、励起光強度依存性から、原子の非局所的な励起と飽和を観測した。令和元年度が最終年度であるため、記入しない。令和元年度が最終年度であるため、記入しない

  • 共振器量子電気力学系の非局所コヒーレント結合の研究

    研究期間:

    2016年04月
    -
    2018年03月
     

     概要を見る

    本研究では前年度(平成28年度)に、ナノ光ファイバー共振器とセシウム原子を用いた全ファイバーキャビティQED系を2台独立に構築したが、ナノ光ファイバー共振器は光ファイバーそのものに作り込まれた全ファイバー共振器であるため、光ファイバーを用いて複数の共振器を低損失に接続できる。この特長を活かし、今年度(平成29年度)は、2台の共振器QED系を1本の光ファイバーで融着接続し、全ファイバー結合共振器QED系を構築した。このような結合共振器QED系の構築は、世界で初めての成果である。(1)いずれの共振器にも原子をロードしない場合(2)1台の共振器のみに原子をロードした場合(3)両方の共振器に原子をロードした場合の3通りについて、弱励起領域での透過スペクトルを測定した結果、複数の共振器QED系がコヒーレントに結合した系における、原子と非局在光子のコヒーレント結合モードの観測に成功した。また、原子と非局在光子の相互作用が、共振器QED系を繋ぐファイバーチャンネルの長さに依存しないことから、非局在光子がファイバーチャンネル光子の成分を含まないことが示された。この成果は、多数の共振器QED系がコヒーレントに結合した大規模量子ネットワークの構築につながり、そのような系における光子の量子多体系の実現や、巨視的量子エンタングルメントの生成、光子の結晶化の観測、光子の量子相転移現象の観測、分散型量子計算への応用といった展開が期待される。29年度が最終年度であるため、記入しない。29年度が最終年度であるため、記入しない

  • ナノ光ファイバー端を用いた導波路量子電気力学の研究

    研究期間:

    2014年04月
    -
    2017年03月
     

     概要を見る

    一般的な単一モード光ファイバーと断熱的に接続したサブ波長径ナノ光ファイバーと単一量子発光体との高効率な相互作用の実現を目指し、超低損失テーパーファイバーを開発した。さらに、それに基づいた新奇ナノファイバー共振器を開発するとともに、これをレーザー冷却単一原子と結合することでナノファイバー共振器と単一原子の強結合を実現した。また、これらの技術に基づく「導波路量子電気力学」の開拓を目指し、ダイヤモンドナノワイヤー結晶中の窒素空孔欠陥とナノ光ファイバーの高効率結合系の検証を行った

  • ファイバー結合スクイーズド光発生と量子エンタングルメント

    研究期間:

    2011年04月
    -
    2013年03月
     

     概要を見る

    量子光学的手法による連続量量子情報への応用を目指し、光ファイバーベースでの新しい直交位相成分スクイーズド光発生法の検討を行った。具体的には、超短パルスを用いた従来の直交位相成分スクイーズド光発生法に対して、現在の連続量量子情報技術の主流である連続光を用いた多モード量子エンタングルメントの生成・制御技術との整合性を重視し、光ファイバーに直接結合したシリコンチップ上モノリシック微小共振器を用いた連続光励起での直交位相成分スクイーズド光の発生に関する理論的検討と、共振器設計の最適化、さらに高Q値微小共振器の作製技術の開発を行った。特に、本手法による直交位相成分スクイーズド光の発生には高いQ値と同時に小さなモード体積を持ち、さらに共振スペクトルの測定結果からモード次数を同定できる共振器の開発が必要である。そのような条件を満たす共振器として微小球共振器に着目し、シリコン基板上にモノリシックに作製することで直径20μm以下の極微小球共振器に対して10^8オーダーのQ値を達成した。WGM型共振器のQ値は放射損失、物質の散乱・吸収による損失、表面の凹凸による散乱や不純物による外因性損失等で決まり、究極的には放射損失によって上限が定められる。本研究で達成したQ値は、直径20μm以下の極微小球共振器としては従来の値を1桁以上改善するものであり、放射損失によって決まる理論限界に肉薄するものである。また、共振器を使わずに光ファイバーで直接、光と物質の強い相互作用を実現できるナノファイバーデバイスを開発した。24年度が最終年度であるため、記入しない。24年度が最終年度であるため、記入しない

  • スーパーデンスコーディングの研究

     概要を見る

    本研究では、スクイーズド光を用いて、連続量の量子エンタングルメントを生成し、その制御さらにスーパーデンスコーディング実験を行うことを目的とした。具体的な成果としては、1.連続量量子エンタングルメントの制御を目的として、マルチパータイトエンタングルド状態を生成し、それを用いて量子テレポーテーションネットワーク実験を行った。結果は任意の2者間で量子テレポーテーションに成功した。(CLEO/QELS2003、平成15年物理学会秋期にて発表。平成16年物理学会春期、CLEO/IQEC2004にて発表予定。論文投稿準備中。)2.連続量量子エンタングルメントの制御を目的として、高フィデリティ量子テレポーテーション実験を行い、フィデリティ0.64を得た。(平成15年物理学会秋期にて発表。)3.連続量量子エンタングルメントの制御を目的として、スクイーズド状態の量子テレポーテーション実験を行った。結果は非古典状態であるスクイーズド状態のテレポーテーションに成功し、量子テレポーテーション過程における古典/量子の境界に関する知見を得た。(CLEO/QELS2003、平成15年物理学会秋期にて発表。論文投稿中quant-ph/0311056。)4.スーパーデンスコーディング実験に成功した。(平成15年物理学会秋期にて発表。論文投稿中quant-ph/040204。

  • 半導体レーザーを用いた多者間量子テレポーテーションの研究

     概要を見る

    前年度において生成に成功した連続量3者間量子エンタングルメントを用いて、3者間の量子テレポーテーション・ネットワークを構築した。連続量3者間量子エンタングルメントをアリス、ボブ、クレアの3者に分配し、この3者の間で任意の送信者・受信者の組み合わせにおいて量子テレポーテーションに成功すれば、3者間の量子テレポーテーション・ネットワークの構築に成功したといえる。ただし、2者間の量子テレポーテーションの場合と異なり、送受信に関わらない残りの1者も3者間量子エンタングルメントを共有しているため、他の2者の間の量子テレポーテーションが成功するためにはこの1者もエンタングルメントの測定を行い、その結果を受信者に伝達する必要がある。例としてアリスが送信者、ボブが受信者の場合、アリスは送信状態であるコヒーレント状態を自分の量子エンタングルメントビームとビームスプリッターを用いて合波し、その出力をそれぞれ直交した位相成分x、pについてホモダイン測定する。クレアは自分の量子エンタングルメントビームのみをp成分についてホモダイン測定する。ボブはこれらの結果をそれぞれ受け取り、自分の量子エンタングルメントビームに変位操作を行うことで、送信状態を再現する。クレアからボブへの情報伝達路のゲインを0から1の間で変化させると、ゲインが約0.1以下では再現された状態のフィデリティは古典限界を下回り、約0.1以上では古典限界を上回った。これは3者間量子エンタングルメントを用いて初めて可能な量子操作である。ゲインが約0.9の時に最大のフィデリティ0.63を得た。このような実験を他の2つの組み合わせについても行い、同様の結果を得た。これにより、初めて3者間の量子テレポーテーションに成功した

  • 測定フィードフォワードを用いた量子非破壊測定の研究

     概要を見る

    本研究では、高レベルスクイーズド光の生成とそれによる高レベル量子エンタングルメントの生成、測定およびフィードフォワードを用いたユニバーサルスクイーザー、量子非破壊測定(量子非破壊相互作用)の実現を目的としている。具体的な研究成果は以下のようなものである。(1)周期分極反転KTiOPO_4(PPKTP)疑似位相整合結晶を非線形媒体とした光パラメトリック発振器(OPO)を作製し、高レベルスクイーズド光の生成に成功した。まず、波長946nmにてその可能性を明らかにした。その結果に基づき、高いポンプパワーを期待できる波長860nmで実験を行い、14年ぶりに世界記録を塗り替え7dBのスクイーズを達成した。さらに、測定系の位相揺らぎを抑えることにより、9dBのスクイーズを達成した。これらの成果により、生成できる量子エンタングルメントのレベルは格段に高まった。(2)測定およびフィードフォワードの手法の代表例は、量子テレポーテーションと呼ばれる波動関数の伝送であり、そのフィデリティはこの手法の成功の度合いを示す(フィデリティ1=100%成功)。したがって、本研究で生成に成功した高レベルスクイーズド光を用い、量子テレポーテーションのフィデリティを測定してみた。その結果0.83という高い値が得られ、この高レベルスクイーズド光を用いれば、測定およびフィードフォワードの手法を高い確率で成功させられることが明らかとなった。(3)高レベルスクイーズド光を用いて生成した高レベル量子エンタングルメントと併せて、測定およびフィードフォワードの手法を用いることにより、ユニバーサルスクイーザーを作製することに成功した。(4)ユニバーサルスクイーザー2台を作製し、これらをさらに可変ビームスプリッターを用いて結合することにより、量子非破壊相互作用装置を作製した。これを用いて、2つの共役な変数(直交位相振幅成分)に於いて量子非破壊測定を行った。これらは、いずれの場合に於いても成功した。また、この結果から、この量子非破壊相互作用装置の2つの出力はエンタングルしていることが明らかになり、量子ビットの制御NOTゲートと同様に、エンタングリングゲートとしての働きがあることがわかった

  • 半導体量子ドット-微小共振器結合系のコヒーレント量子分光

     概要を見る

    前年度に引き続き、超低損失なトロイド型微小光共振器およびサブ波長径テーパー・ファイバーを作製した。特にテーパー・ファイバーについては、任意のウエスト径、ウエスト長、テーパー角を持ったファイバーの作製技術を確立した。これにより例えば、共振器へ光を入出力するための外部導波路に適した、短い(数mm程度の)ウエスト長のファイバーから、シリカガラスの非線形性を利用した非線形光学ファイバーに適した、長い(数10mm程度の)ウエスト長のファイバーまで、用途に応じて最適な設計のテーパー・ファイバーを作製することができるようになった。後者のデモンストレーションとして、長いウエスト長のテーパー・ファイバーに受動モード同期チタン・サファイアレーザーを入力し、シリカガラスの非線形性とテーパー・ファイバーの特殊な群速度分散による白色光発生に成功した。これは、現在白色光発生に広く用いられているフォトニック結晶ファイバーと比較して格段に安価に作製できる点、さらに通常の単一モード光ファイバーとシームレスに結合した構造である点において有利である。次に、単一半導体量子ドットのコヒーレント量子分光を行うため、上記の技術で作製したテーパー・ファイバーの表面上にコロイド型半導体量子ドットを配置し、テーパー・ファイバーの伝搬モードのエヴァネッセント波と半導体量子ドットの蛍光とを結合させた。この系を用いることで、単一のコロイド型半導体量子ドットの共鳴蛍光を世界で初めて観測した

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特定課題研究

  • ナノ光ファイバー共振器量子電気力学系の研究

    2022年  

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    共振器量子電気力学系は、光共振器に閉じ込められた光子と、それと相互作用する単一原子からなる系であり、特に強結合領域の共振器量子電気力学系では、光と原子のコヒーレントな相互作用による様々な量子現象が観測できる。従来の共振器量子電気力学系に用いられてきた自由空間共振器は、ファイバー光学との整合性が悪く、スケーラビリティが低いという課題があった。本研究では、独自に開発したナノ光ファイバー共振器を用いた共振器量子電気力学の研究を実施した。

  • トロイド型微小光共振器を用いた微弱光の相互位相変調の研究

    2021年  

     概要を見る

    我々は、Q値が極めて高く(=損失が低く)、モード体積Vが極めて小さな(=光のエネルギー密度が大きな)トロイド型微小光共振器を継続して開発している。共振器の光カー効果はQ値とモード体積の比(Q/V値)に比例するが、我々の開発したトロイド型微小光共振器はQ/V値が極めて高いため、この共振器を用いることで、微弱光による相互位相変調が発現する。本研究では、昨年度に引き続き、新規作製方法による共振器開発を実施した。

  • 微小光共振器の光カー効果による光子の量子非破壊測定

    2020年  

     概要を見る

    我々は、光ファイバーに直接結合した微小共振器を用いて、光子の量子非破壊測定の実現を目指し、その基盤技術を継続的に開発している。すなわち、高Q/V値の微小光共振器が持つ極めて強い光閉じ込めを利用して単一光子レベルでの巨大非線形光学効果(光カー効果)を発現させ、信号光の光子数に比例したプローブ光の位相変化を誘起させることで、信号光の光子数とプローブ光の位相の間に量子相関を生じさせ、量子非破壊測定条件の検証を実施するために必要な技術である。本研究では、高Q/V値ナノ光ファイバー共振器の開発に取り組んだ。

  • トロイド型微小光共振器を用いた微弱光の相互位相変調の研究

    2020年  

     概要を見る

    我々は、Q値が極めて高く(=損失が低く)、モード体積Vが極めて小さな(=光のエネルギー密度が大きな)トロイド型微小光共振器を継続して開発している。共振器の光カー効果はQ値とモード体積の比(Q/V値)に比例するが、我々の開発したトロイド型微小光共振器はQ/V値が極めて高いため、この共振器を用いることで、微弱光による相互位相変調が発現する。本研究では、より大きな相互位相変調を実現するため、新たな共振器作製方法を開発した。

  • トロイド型微小光共振器を用いた微弱光の相互位相変調の研究

    2019年  

     概要を見る

    我々は、Q値が極めて高く(=損失が低く)、モード体積Vが極めて小さな(=光のエネルギー密度が大きな)トロイド型微小光共振器を継続して開発している。共振器の光カー効果はQ値とモード体積の比(Q/V値)に比例するが、我々の開発したトロイド型微小光共振器はQ/V値が極めて高いため、この共振器を用いることで、微弱光による相互位相変調が発現する。本研究では、より大きな相互位相変調を実現するため、新たな共振器作製方法を開発した。

  • 微小光共振器を用いた光子の量子非破壊測定の研究

    2018年  

     概要を見る

    我々は、光ファイバーに直接結合した微小共振器を用いて、光子の量子非破壊測定の実現を目指し、その基盤技術を継続的に開発している。すなわち、高Q/V値のトロイド型微小光共振器が持つ極めて強い光閉じ込めを利用して単一光子レベルでの巨大非線形光学効果(光カー効果)を発現させ、信号光の光子数に比例したプローブ光の位相変化を誘起させることで、信号光の光子数とプローブ光の位相の間に量子相関を生じさせ、量子非破壊測定条件の検証を実施するために必要な技術である。本研究では、プローブ光の位相測定におけるノイズの低減に取り組んだ。

  • トロイド型微小光共振器を用いた微弱光の相互位相変調の研究

    2018年  

     概要を見る

    我々は、Q値が極めて高く(=損失が低く)、モード体積Vが極めて小さな(=光のエネルギー密度が大きな)トロイド型微小光共振器を継続して開発している。共振器の光カー効果はQ値とモード体積の比(Q/V値)に比例するが、我々の開発したトロイド型微小光共振器はQ/V値が極めて高いため、この共振器を用いることで、微弱光による相互位相変調が発現する。本研究では、より大きな相互位相変調を実現するため、共振器の作製方法を改良した。

  • トロイド型微小光共振器を用いた微弱光の相互位相変調の研究

    2017年  

     概要を見る

    我々は、Q値が極めて高く(=損失が低く)、モード体積Vが極めて小さな(=光のエネルギー密度が大きな)トロイド型微小光共振器を開発した。共振器の光カー効果はQ値とモード体積の比(Q/V値)に比例するが、我々の開発したトロイド型微小光共振器はQ/V値が極めて高いため、この共振器を用いることで、微弱光による相互位相変調が発現する。本研究では、実際にこの相互位相変調を観測した。

  • 微小光共振器を用いた光子の量子非破壊測定の研究

    2017年  

     概要を見る

    本研究では、光ファイバーに直接結合した微小共振器を用いて、光子の量子非破壊測定の実現を目指し、その基盤技術開発を実施した。すなわち、高Q/V値のトロイド型微小光共振器が持つ極めて強い光閉じ込めを利用して単一光子レベルでの巨大非線形光学効果(光カー効果)を発現させ、信号光の光子数に比例したプローブ光の位相変化を誘起させることで、信号光の光子数とプローブ光の位相の間に量子相関を生じさせ、量子非破壊測定条件の検証を実施するために必要な技術を開発した。

  • 共振器量子電気力学系の非局所コヒーレント結合の研究

    2016年  

     概要を見る

    共振器量子電気力学系は、光共振器に閉じ込められた光子と、それと相互作用する単一原子からなる系であり、特に強結合領域の共振器量子電気力学系では、光と原子のコヒーレントな相互作用による様々な量子現象が観測できる。研究代表者らは、ごく最近、ナノ光ファイバーとファイバーブラッグ格子を組み合わせた新奇な全ファイバー共振器を開発し、トラップされた単一原子と全ファイバー共振器の共振器量子電気力学系を実現した。本研究では、これらの成果をもとに、全ファイバー共振器量子電気力学系を複数独立に構築し、それらをファイバーで直接結合した連結共振器量子電気力学系の実現に向けた予備的な研究を実施した。

  • ナノ加工ファイバーを用いた単一原子のトラップと量子測定・操作の研究

    2014年   永井隆太郎, 加藤真也

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    ナノ光ファイバーの両端を単一モード光ファイバーと連続的に接続するテーパー部において、基本導波モードと高次導波モードの結合による損失は局所的なファイバー径と各モードの伝搬定数に強く依存する。本研究では、損失を押さえながらも全長を最短にするテーパー形状を設計するとともに、その作製方法を確立した。具体的には、99.7%を超える透過率を持ちながら全長わずか23 mmのナノ光ファイバーの作製に成功した。この結果はOptics Express誌に発表した[R. Nagai and T. Aoki, Opt.Express 22, 28427 (2014)]。今後は、作製した超低損失ナノ光ファイバーを用いた単一原子のレーザー冷却・トラップとその量子測定・操作を目指す。

  • 量子光学に適した超高Q値微小旧型光共振器の研究

    2011年  

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    量子光学の実験的研究において、高Q値微小光共振器を用いて光を波長スケールの微小体積中に強く閉じ込めることで、光の量子性が増強され、通常の系では困難な非古典的光学現象の観測が可能となる。我々は過去の研究において107~108程度の高Q値微小トロイド型光共振器を用いてさまざまな非古典的光学現象の観測に成功した。しかし、これらの研究で観測された非古典的光学現象あるいは生成された光の量子状態の量子性は依然として低く、量子通信をはじめとした光学的量子情報への応用には不十分である。そのため、より高いQ値の微小共振器の開発が求められている。上記の研究で用いた微小トロイド型光共振器は、エレクトロニクス用途のシリコン基板上のシリコン酸化膜を材料とするが、低損失光ファイバーを材料とすることでさらにQ値の高い共振器の実現が期待される。そこで本研究では、低損失光ファイバーを材料として微小球型光共振器を作成し、109~1010の超高Q値微小光共振器の実現を目指した。まず、光ファイバーを溶融し、表面張力により真球形状の微小光共振器を作製する技術を開発した。具体的には、被覆を除去しクラッド表面を洗浄した光ファイバーの先端を、CO2レーザーを用いて溶融した。シリカガラスはCO2レーザーの発振波長である中赤外領域に大きな吸収係数を持つため、CO2レーザーの照射によって局所的に加熱することができる。ただしこの方法では、流入熱量は加熱領域の体積に比例するが放射による熱の流出は表面積に比例するため、数μmスケールの微小な体積の高温加熱は困難であることも予想された。しかし、開口数の大きなレンズを用いてレーザーを集光することで、直径数μm程度の極細光ファイバーの先端であっても容易に溶融させることができた。上記の方法で作製した微小球共振器のQ値を周波数領域において測定した。テーパーファイバーを外部導波路として結合した微小球共振器に対して狭線幅の外部共振器型半導体レーザーを入力し、レーザー波長を掃引することで共振スペクトルを測定し、その幅からQ値を得た。結合損失を考慮し、共振器の真性Q値を見積もった結果、1×109を達成した。作製条件の最適化によって、更なるQ値の向上が見込まれる。

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