【研究成果】無偏光単一光子を実現 ～量子力学に新たな役割果たす～

　本学電気通信研究所の枝松圭一教授と阿部尚文研究員らの研究グループは、ダイヤモンドを用いることで静的にも動的にも真にランダムな偏光状態（注１）にある単一光子（注２）の発生を実現することに成功した。今回の成果は、量子サイコロや量子コイントスとして例えられる光子を用いた真性乱数発生器（注３）の実現や量子暗号の技術開発、および量子力学の基礎問題の検証にも大きな役割を果たすことが期待される。




　単一光子は量子コンピュータや量子暗号など次世代情報通信技術として期待されている量子情報通信において重要な役割を持っている。量子情報通信における情報の基本単位である量子ビットは、単一光子の偏光を用いることで実現されている。従来は、純粋状態と呼ばれる特定の偏光をもつ状態のみが主に利用されてきた。その一方で、静的かつ動的な無偏光性を示す単一光子の発生はこれまで確認されてこなかった。

　枝松教授らの研究グループは、静的かつ動的な無偏光性状態を、ダイヤモンド中の不純物欠陥の一種である窒素・空孔中心（ＮＶ中心）を用いて実現し、その特性評価を行った。ＮＶ中心は室温で単一光子を実現できることから、量子情報通信技術の分野で注目されている。単一のＮＶ中心に顕微鏡の対物レンズを通してレーザーを照射すると、ＮＶ中心の電子が高いエネルギー状態に励起される。電子の励起状態にはExおよびEyと呼ばれる二つの状態があり、各々から水平偏光（Ｈ偏光）と垂直偏光（Ｖ偏光）の偏光をもつ単一光子が発生する。室温では、熱により二つの電子状態がランダムに混合されてから発光することから、発生する単一光子はＨ偏光とＶ偏光がランダムに混合された無偏光状態となることが期待される。このような無偏光状態にある単一光子は、特定の方向を向くＮＶ中心から発せられる。枝松教授らの研究グループは、このような特定の方向のＮＶ中心からの発光を観測できるように結晶面を工夫したダイヤモンド試料を用いることで単一光子の無偏光性の評価を行った。

　枝松教授らの研究グループが行った実験では、発生した光子の偏光の静的ランダム性を高い精度で検証したことに加え、動的なランダム性の評価方法を提案および検証した。特に、量子光学的（注４）な動的無偏光性の評価方法は、本研究において初めて提案および実現がされたものである。こうして光子が静的にも動的にもほぼ完全なランダムな偏光をもつ理想的な無偏光状態にあることを実証することに世界で初めて成功した。

　研究グループでは、今回実現した無偏光単一光子を用いることで、量子測定における誤差と擾乱関係の間の不確定性関係などの量子力学の基礎問題の検証実験や、量子暗号などに用いられる物理的な真性乱数発生装置への応用に取り組む意欲を見せる。

（注１）…光の波（電磁波）としての電場の振動方向
（注２）…光の量子、光量子とも呼ばれる
（注３）…まったく規則性のない、本当の意味での乱数
（注４）…光を古典的な波としてではなく、光の場を量子化して、光を量子として扱う物理学