ポイント
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単一光子間の和周波発生を利用した量子もつれ交換（量子通信プロトコルの一つ）に世界で初めて成功
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NICTの最先端技術を結集し、単一光子間の和周波発生を高いSN比で観測
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今後、光量子計算回路の小型化・高効率化や次世代量子鍵配送の長距離化の実現に期待
単一光子の非線形光学効果は、量子通信プロトコルを高度化する際に重要なツールとなることが理論的に知られていますが、極めて弱い光に対する同効果は非常に小さく、応用は実現されていませんでした。今回、NICTが開発した高速量子もつれ光源・低ノイズ超伝導単一光子検出器・高効率非線形光学結晶の最先端技術を組み合わせることで、非線形光学効果の一つである単一光子間の和周波発生を極めて高いSN比（所望信号とノイズの比率）で観測し、それを用いた量子もつれ交換実証に世界で初めて成功しました。今後は実験系をさらに高効率化することで、光量子計算回路の小型・高効率化や次世代量子鍵配送の長距離化が期待されます。
なお、本成果は、2025年10月7日（火）に、英国科学雑誌「Nature Communications」に掲載されました。
背景
図1 従来の量子もつれ交換(a)と和周波発生による量子もつれ交換(b)
a 光子対生成が確率的な場合、A2とB1間の二光子干渉測定だけでは成功と失敗を判別できないため、A1とB2に1光子ずつ存在することを確認するために追加の測定が必要となる。
b 和周波発生が起きた時にはA2とB1に1光子ずつ存在するため、量子もつれ交換の成功が判別できる。
a 光子対生成が確率的な場合、A2とB1間の二光子干渉測定だけでは成功と失敗を判別できないため、A1とB2に1光子ずつ存在することを確認するために追加の測定が必要となる。
b 和周波発生が起きた時にはA2とB1に1光子ずつ存在するため、量子もつれ交換の成功が判別できる。
量子通信や量子計算のような量子情報処理分野では、2つの量子ビット間でのゲート操作が重要な基盤技術となります。光子を用いた実装においては、従来は2つの光子間の量子干渉（二光子干渉）が利用されてきました。この方法では、通常の半透鏡と光子検出器で簡便に実験系を構築できる反面、量子もつれ交換によって得られた光子対の存在を測定によって破壊しなければ、忠実度が低くなってしまい（図1a参照）応用の幅が制限されていました。
そこで、二光子干渉ではなく、単一光子間の和周波発生を用いた量子もつれ交換が理論提案されています（図1b参照）[1]。この方法では、単一光子間の和周波発生で生成された光子（和周波光子）を測定することで、最終的に得られた量子もつれ光子対を測定によって破壊することなく、高い忠実度で量子もつれ交換を実現することが可能になります。この特長は、ループホールのないベル不等式破れの検証や、次世代量子鍵配送の長距離化に向けて大きなメリットとなります。しかし、このような単一光子間の和周波発生は2014年に初めて報告されたものの[2]、当時検出された信号は非常に小さく、ほとんどノイズに埋もれていたため、量子もつれ交換へ適用するには検出信号のSN比（所望信号とノイズの比率）を大幅に改善する必要がありました。
今回の成果
図2 単一光子間の和周波発生による量子もつれ交換の実験系
EPS IとEPS IIで量子もつれ光子対を1対ずつ生成し、SFG-BSAで単一光子間の和周波発生を用いたゲート操作を行う。
EPS IとEPS IIで量子もつれ光子対を1対ずつ生成し、SFG-BSAで単一光子間の和周波発生を用いたゲート操作を行う。
その結果、和周波光子の信号は高いSN比で検出され（図3a参照）（先行研究[2]と比較して約1桁近く高いSN比を達成）、終状態に強い量子もつれが存在していることを確認し（図3b参照）（最大量子もつれ状態との忠実度の下限を推定すると0.770±0.076）、世界で初めて単一光子間の和周波発生による量子もつれ交換の実証に成功しました。
今回得られた結果は光量子情報処理における大きな一歩であるとともに、今後新たな非線形光学デバイスを開発する際の重要な指針となることが期待されます。
図3 実験結果
a 和周波光子の検出信号。
b 量子もつれ交換完了後の二光子の偏光相関。H、V、D、Aはそれぞれ横、縦、右斜め45度、左斜め45度偏光を表す。
a 和周波光子の検出信号。
b 量子もつれ交換完了後の二光子の偏光相関。H、V、D、Aはそれぞれ横、縦、右斜め45度、左斜め45度偏光を表す。
今後の展望
本手法を量子もつれ交換よりもさらに高度な量子情報プロトコルへ応用するには、さらなるSN比の改善が必要であると見込まれます。今後は、非線形光学効果の増強を実現させ、光量子計算回路の小型・高効率化や次世代量子鍵配送の長距離化につなげていきたいと考えています。
研究者情報
逵本 吉朗
未来ICT研究所 量子ICT研究室
和久井 健太郎
電磁波研究所 時空標準研究室
岸本 直
Beyond5G研究開発推進ユニット テラヘルツ連携研究室
三木 茂人
未来ICT研究所 超伝導ICT研究室
藪野 正裕
未来ICT研究所 超伝導ICT研究室
寺井 弘高
未来ICT研究所 超伝導ICT研究室
藤原 幹生
量子ICT協創センター
加藤 豪
未来ICT研究所 量子ICT研究室
論文情報
著者: Yoshiaki Tsujimoto*, Kentaro Wakui, Tadashi Kishimoto, Shigehito Miki, Masahiro Yabuno, Hirotaka Terai, Mikio Fujiwara, Go Kato
（*責任著者）
（*責任著者）
論文名: Experimental entanglement swapping through single-photon χ(2) nonlinearity
掲載誌: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-025-63785-5
なお、本研究の一部は、文部科学省科学研究費補助金（JP18K13487、 JP20K14393、JP22K03490）と、総務省 ICT 重点技術の研究開発プロジェクト（JPMI00316）の助成を受けて行われました。
参考文献
[1] N. Sangouard et al., “Faithful entanglement swapping based on sum-frequency generation”, Phys. Rev. Lett. 106, 120403 (2011).
[2] T. Guerreiro et al., “Nonlinear interaction between single photons”, Phys. Rev. Lett. 113, 173601 (2014).
[3] K. Wakui et al., “Ultra-high-rate non-classical light source with 50 GHz-repetition-rate mode-locked pump pulses and multiplexed single-photon detectors”, Opt. Exp. 28, 22399 (2020).
[4] Y. Tsujimoto et al., “Ultra-fast Hong-Ou-Mandel interferometry via temporal filtering,” Opt. Exp. 29, 37150 (2021).
[5] T. Yamashita et al., “Superconducting nanowire single-photon detectors with non-periodic dielectric multilayers”, Sci. Rep. 6, 35240 (2016).
[6] S. Miki et al., “Stable, high-performance operation of a fiber-coupled superconducting nanowire avalanche photon detector”, Opt. Exp. 25, 6796 (2017).
[7] T. Kishimoto et al., “Highly efficient phase-sensitive parametric gain in periodically poled LiNbO3 ridge waveguide”, Opt. Lett. 41, 1905 (2016).
nict.go.jp