シドニー大学の研究者らが、相互作用する微量の光子（光エネルギーのパケット）を高い相関性で制御し、識別できることを初めて示した。この前代未聞の快挙は、量子テクノロジーの進歩における重要な転換点であり、量子コンピューターや医療用画像診断の発展につながる可能性を示すものだ。

量子光を実用化する

量子光とは、量子力学的効果により可能な特殊な統計分布を特徴とする光だ。例えば、単一の光子や相関した光子対などが挙げられる。量子光は、原理的にはより少ない光子を使用してより感度の高い測定を行い、より高い解像度を実現することを実現する。これは、医療画像診断やセキュリティスキャンなどのアプリケーション、そして量子コンピュータの発展に繋がるものだ。

光は波動と粒子の両方の性質を持つということが、20世紀初頭に発見された。その後、アインシュタインは、光電効果という現象を説明するために、光子仮説を提唱した。光電効果とは、光に照らされた金属表面から電子が放出される現象だ。アインシュタインは、この現象を説明するために、光のエネルギーは一定の量である光子に分割されており、そのエネルギーは波長（または周波数）に比例すると考えた。

現在では、光が物質とどのように相互作用するかを観察した結果、科学者たちは、光が粒子のビームでもなく、エネルギーの波模様でもなく、波動と粒子の二重性と呼ばれる両方の特性を持つことが一般的に認知されている。

光と物質との相互作用は、その理論的な美しさと強力な実用性の両方から、科学者と人間の想像力を魅了し続けている。

星間空間という広大な空間を通過する光の仕組みや、レーザーの開発など、光の研究は、重要な実用性を持つ重要な科学だ。このような理論的基盤がなければ、事実上、すべての現代テクノロジーは不可能である。携帯電話も、グローバルな通信ネットワークも、コンピューターも、GPSも、最新の医療用画像もない。

光ファイバーによる通信で光を利用する利点は、光エネルギーの塊である光子が互いに影響しにくいことだ。そのため、光速で歪みのない情報伝達が可能だ。

しかし、光に相互作用が欲しい場合もあるが、そこには厄介な問題もともなう。

例えば、光は干渉計と呼ばれる機器を使って、距離の小さな変化を測定するために使われる。このような測定ツールは、高度な医療用画像処理、牛乳の品質管理を行うような重要だがおそらく平凡な作業、あるいは2015年に初めて重力波を測定したLIGOのような高度な機器の形で、今や当たり前のものとなっている。

量子力学の法則により、このようなデバイスの感度は制限されている。

この限界は、測定がどの程度の感度を持つことができるかと、測定装置内の光子の平均数の間に設定される。古典的なレーザー光では、これは量子光とは異なる。

アインシュタインが1916年に発見した誘導放出は、多くの光子に対して一般的に観察され、レーザーの開発に影響を与えた。今回の研究で、刺激発光が単一光子に対して観測されるようになったのだ。

「これは、“量子光”と呼べるものの操作への新たな扉を開くものです」と、この研究の共同筆頭著者であるシドニー大学物理学部のSahand Mahmoodian博士は、プレスリリースで述べている。

「私たちが作ったデバイスは、光子間の強い相互作用を引き起こし、1つの光子が相互作用した場合と2つの光子が相互作用した場合の違いを観察することができました。我々は、1つの光子が2つの光子に比べてより長い時間遅延することを観察しました。この本当に強い光子と光子の相互作用により、2つの光子は2光子束縛状態と呼ばれる形でもつれ合うようになります」と共同研究者のNatasha Tomm博士は説明する。

このタイプの量子光は、理論的には、より少ない光子数で、より高感度かつ高解像度の測定が可能になるという利点がある。これは、小さな特徴を検出する必要があり、高い光強度が試料を傷つける可能性がある生物顕微鏡の用途では極めて重要だ。

Mahmoodian博士は、「光子の結合状態を特定し、操作できることを実証したことで、量子光を実用化するための重要な第一歩を踏み出しました。私の研究の次のステップは、PsiQuantumやXanaduといった数百万ドル規模の企業が追求しているフォールトトレラント（耐障害性）量子コンピューティングに有用な光の状態を、このアプローチでどのように生成できるかを見ることです」と述べている。

「この実験は、基本的な現象である誘導放出が極限まで達したことを証明しただけでなく、将来の利用に向けて重要な技術的進歩を意味する、美しい実験です」と、Tomm博士は述べている。

「同じ原理を応用して、光子結合状態を与えるより効率的なデバイスを開発することができます。これは、生物学から高度な製造、量子情報処理に至るまで、幅広い分野での応用が期待できます」

論文

• Nature: Photon bound state dynamics from a single artificial atom

参考文献

• University of Sydney: Scientists open door to manipulating ‘quantum light’
• via Quantum Insider

研究の要旨

光子と2準位原子の相互作用は、量子物理学の基本的なパラダイムを構成している。原子の持つ非線形性により、光-物質界面は、発光寿命内に2準位系と相互作用する光子の数に強く依存する。この非線形性は、光子の束縛状態として知られる強い相関を持つ準粒子を明らかにし、誘導放出やソリトン伝搬といった重要な物理過程を生じさせる。強相関リュードベリ気体では、光子束縛状態の存在に矛盾しないシグネチャーが測定されているが、その特徴である励起数依存の分散と伝搬速度はまだ観測されていない。今回我々は、光共振器に結合した半導体量子ドットという単一の人工原子からの散乱において、光子数に依存した時間遅延を直接観測したことを報告する。空洞-量子電気力学系に弱いコヒーレントパルスを散乱させ、時間依存の出力パワーと相関関数を測定することにより、単一光子と2光子および3光子の結合状態には異なる時間遅延が生じ、光子数が多いほど短くなることを示すことができました。この時間遅れの短縮は、刺激発光の特徴であり、発光体の寿命内に2つの光子が到着することで、1つの光子が別の光子の発光を刺激することになります。