青木　隆朗 (アオキ　タカオ)

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所属

理工学術院 先進理工学部

職名

教授

ホームページ

http://www.qo.phys.waseda.ac.jp/index.html

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学内研究所等 【 表示 ／ 非表示 】

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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学位 【 表示 ／ 非表示 】

  • 東京大学   博士（工学）

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

  • 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]

    　概要を見る

    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]

    　概要を見る

    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]

    　概要を見る

    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

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産業財産権 【 表示 ／ 非表示 】

  • 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

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

  • 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

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特定課題研究 【 表示 ／ 非表示 】

  • 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。

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現在担当している科目 【 表示 ／ 非表示 】

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