[論文レビュー] Nanoscale Quantum Optics

Irene D’Amico, Dimitris G. Angelakis+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 217被引用数 6

ひとこと要約

本レビューは、ナノスケールでの光-物質相互作用の制御に焦点を当て、量子技術の実現を目指して最近のナノスケール量子光学分野の進展を要約している。量子ドット、ダイヤモンド中の色中心、プラズモニック構造、フォトニクス集積回路などのナノフォトニクスプラットフォームを用いた、光の量子状態の生成・検出・制御に関する進歩を詳述し、量子情報、センシング、エネルギー効率性の分野で顕著な成果を上げている。

ABSTRACT

Nanoscale quantum optics explores quantum phenomena in nanophotonics systems for advancing fundamental knowledge in nano and quantum optics and for harnessing the laws of quantum physics in the development of new photonics-based technologies. Here, we review recent progress in the field with emphasis on four main research areas: Generation, detection, manipulation and storage of quantum states of light at the nanoscale, Nonlinearities and ultrafast processes in nanostructured media, Nanoscale quantum coherence, Cooperative effects, correlations and many-body physics tailored by strongly confined optical fields. The focus is both on basic developments and technological implications, especially for what concerns information and communication technology, sensing and metrology, and energy efficiency.

研究の動機と目的

• ナノスケール量子光学（NQO）分野における最近の進展を、4つの主要研究分野（量子状態の生成/検出、非線形性、量子コherー、多体効果）に統合的にまとめること。
• 常温下でのナノスケールで強く制御可能な光-物質相互作用を可能にすることで、量子物理学とフォトニクスデバイスを橋渡しすること。
• スケーラブルな量子フォトニクスのためのキーテクノロジーを同定・推進すること。具体的には、集積回路、高効率検出器、単一スピンセンサを含む。
• 材料科学、量子オプティクス、ナノフォトニクスの分野間での協力を促進し、共通の技術的・科学的目標を達成すること。
• 標準化、統合、ユーザーフレンドリーなプラットフォームを通じて、NQO分野の研究を産業応用へ迅速に移行させること。

提案手法

• COST Action MP1403のロードマップを基盤として、NQO分野における実験的・理論的進展の体系的レビュー。
• 光-物質結合の強化を目的としたフォトニクス結晶、プラズモニック波ガイド、ナノファイバー、オプトメカニカルシステムなどのナノフォトニクスプラットフォームの分析。
• 量子ドット、色中心（NV、SiV）、2次元材料、有機分子などの量子発光体を評価し、決定論的な単一光子放出を実現する。
• 超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）、フォトニクス集積回路、マイクロキャビティポラリトンデバイスなどのチップ統合型システムの調査。
• 冷却原子-ナノフォトニクスインターフェース、メタマテリアル、グラフェンプラズモニクスを用いた光学場のチューニング技術の検討。
• NQOシステムのシミュレーションおよび実装を支援する数値モデリングツールおよび支援技術（レーザー、冷却装置、高速エレクトロニクス）の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固体発光体とナノフォトニクス構造を用いて、ナノスケールで光の量子状態をどのように効率的に生成・制御・保存できるか。
• RQ2 ナノ構造光学媒体における強い非線形性と超高速ダイナミクスを達成するための根本的限界と機会は何か。
• RQ3 強く局所化された光学場を用いて、ナノスケールでの量子コherーと多体相関をどのように設計できるか。
• RQ4 単一光子源、検出器、処理ユニットをスケーラブルなフォトニクスチップに統合するための主要な技術的道筋は何か。
• RQ5 NQOプラットフォームを産業的およびライフサイエンス分野の応用に商業化・展開するにはどうすればよいか。

主な発見

• 高効率・広帯域の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）は、高時間分解能、高効率、光子数分解能を備えたターンキーモードで動作可能となった。
• チップ上に実装されたオプトメカニカルシステムは、量子基底状態に冷却され、光-フォノン相互作用をコherentに制御する基盤を提供した。
• ナノフォトニクス技術を用いたナノファブリケーションにより、量子ドットやダイヤモンド中の色中心を用いた、決定論的で高レートの単一光子源が実証された。
• フォトニクス集積回路は、単一光子のルーティングと干渉を可能とし、ボゾンサンプリングなどの量子プロトコルのチップ内実装を可能にした。
• 窒素空孔中心を有するナノフォトニクス的ダイヤモンドセンサは、ナノスケールの空間分解能と高い感度を備え、ライフサイエンス分野や材料の破壊分析応用に適している。
• 産業界との積極的連携が進み、統合型SNSPDやターンキーポスト量子フォトニクスシステムなどのNQO技術の商業化が進んだが、スケーリングと標準化の課題は依然残っている。