上接： 【量子技術現在時】（一）綜述：在需求衆多的廣泛領域獲得飛躍隊形變換
【量子技術現在時】（二）超導量子，利用摺紙結構的新型電路實施整合化
【量子技術現在時】（三）半導體量子，自由操控兩個電子自旋
【量子技術現在時】（四）量子通訊，長距離中繼器的原理驗證取得成功
【OVERVIEW】將量子檢測技術廣泛應用於包括醫療，宇宙觀測等多個領域，並將之實用化，服務於社會生產生活，所需要的不僅是理論驗證，還需要相關元件和檢測儀器等的研究開發。京都大學研究生院工學研究科竹内繁樹教授成功研發了寬頻帶的頻率糾纏光源，並實施了内置該光源的量子光學相干斷層掃描儀（量子OCT），其目標是透過對每個光量子的單獨控制，從而實施更高精度的量子檢測技術。
竹内繁樹
京都大學研究生院工學研究科教授
2016～2021年度CREST專案負責人
成功實施大米的NDI
專注於「尖端研究」專案
雖然通用的型量子電腦的開發還需要相當長的時間，然而量子技術中也有可率先應用於社會的領域。其中之一就是量子檢測。例如，量子態可以被外部微小的影響所打破，進而來說，也可以利用量子態的變化來實施捕捉外部環境微小變化的高精度感測器。從而利用量子力學的特性，來實施創新性的檢測技術。
擔任CREST「高輝度寬頻頻率糾纏態的實施及其應用」課題負責人的、京都大學研究生院工學研究科的竹内繁樹教授，就在從事利用量子糾纏光量子對的新型量子光學檢測技術的研究工作。竹内教授在研究生時代，就利用超導元件研究了聲子的發生和檢測方法，並於1993年爲了從事新型量子元件的研發，而進入三菱電機工作。當時公司給他提出的第一個課題就是探索「新研究課題」，而作爲探索的新課題之一，他提出了「在第一年進行關於大米的研究」。
這是是此前完全沒有交集的關於「大米烹煮」的研究，在研究中竹内教授爲了搞清楚對大米進行烹煮時，米粒的内部變化，開發了一種可以對一粒大米進行烹煮和觀察的，使用了玻璃管和支架的特殊設備。「在本次產學合作研究中，我們使用了當時日本只有兩臺的核磁共振（NMR）微觀成像設備，實施了對大米内部澱粉糊化程序的無損即時觀測。這項研究的成果最終應用在了三菱電機的電鍋產品上，實施了「美味煮飯按鍵」的功能。」竹内教授接着說到：「乍看起來，這與量子似乎無關，然而透過控制核自旋和相鬆弛實施高速成像的經驗，對我目前從事的量子研究也有幫助」。
之後在1995年，竹内教授提出了利用光量子開發量子電腦的新研究課題。那一年27歲的他，成爲了「先端研究」專案史上最年輕的入選者，並由此開始了他期待已久的量子領域的研究。竹内教授回顧說：「專案集結了以課題負責人吉森先生爲領軍者的許多優秀的老師，我得到了很多建議。甚至連當時鮮有的到海外進行研究的計劃，也得到了專案組的支援」。隨後的研究中，在1998年，竹内教授世界首次透過實驗驗證了利用單量子的量子演算法，並緊接着開發出了一種在維持量子糾纏狀態的前提下提取出糾纏光量子對的 「量子糾纏濾波器」和高輝度單光量子源，取得了紮實的研究成果。
滿足社會需求的開發
實施眼底檢查設備的高速化
在如願以償的從事了光量子的相關研究和實驗之後，竹内教授又將目光投向了量子檢測的研究和應用。在經典光學檢測中，爲了進行高解析度精密檢測，往往需要將試樣暴露在強光下，但這可能會造成試樣的傷害。而使用強度較弱的光，又會花費較長的檢測時間。竹内教授說明到：「在利用經典光學的光學檢測中，光強度越高，精度越高，但從理論上來說，透過對光量子的利用，可以以經典光學檢測中的十億分之一的光強度，實施同樣精度的檢測。又或者，僅使用很短的時間來實施精度稍低但解析度很高的檢測」
竹内教授還提出了利用量子糾纏態光量子對的「量子糾纏顯微鏡」方案。一般的微分干擾相差顯微鏡是透過檢測由於試樣「折射率」和「厚度」產生的光路差的一種顯微鏡技術，可以用來觀察透明試樣。在竹内教授的提案中，該量子微分干擾相差顯微鏡使用了糾纏光量子作爲照明光源，從而使之具備了可用於觀測大約100個原子厚度的試樣的能力。之後，在進一步探究利用量子糾纏光進行光學檢測的可能性時，可用於眼底檢查等拍攝視網膜斷層影像的光學相干斷層掃描儀（OCT）進入了視野。
OCT除了被廣泛用於眼底觀察外，還可以用於生產線的檢查。現有的OCT存在的問題是，光線在透過介質時（例如眼底組織），其傳播速度會因波長而異，導致解析度大幅降低。但是如果使用量子糾纏光作爲光源的量子OCT，從理論上說，不會出現解析度下降的問題。
竹内教授的小組實施了世界上最大頻寬的量子糾纏光，並透過實驗表明，可利用該光源實施超出傳統OCT 既存紀錄——0.75µm（µm爲百萬分之一米）解析度的0.54µm高解析度。同時還證實了量子OCT基本不受色散的影響。竹内教授笑着說道：「我們實施了預期的高解析度量子OCT，但拍攝一張影像需要8個小時！」這是由於當時使用的寬頻帶量子糾纏光量子對光源的輝度不足造成的。
這種狀況導致量子OCT難於投入實際應用，爲此在2016年起動的CREST研究專案中，竹内教授開始了旨在實施更高效的量子糾纏光源和建立全新量子光檢測技術的研究。爲了更加有效地生成量子糾纏光，研究團隊開發研製出了平面波導啁啾準相配對分組元件以及將光封閉在水平和垂直度兩個方向的脊形波導啁啾準相配對分組元件。
由此，研究團隊開發出了兩種高效量子糾纏光源：一種是擁有塊狀晶體300倍生成效率的平面波導元件，另一種是擁有塊狀晶體600倍生成效率的脊形波導元件（圖1）。除了所開發的量子糾纏光源之外，研究團隊還成功開發了使用超導單光量子偵檢器、以及高速計數系統的量子OCT系統，在保有高解析度的同時，影像生成時間縮短到90秒，影像的生成速度提高了300倍以上。
圖1.「寬頻域頻率糾纏光量子對」光源的開發
左邊的平面波導元件只封閉垂直度方向的光，而右邊的脊狀波導元件則具備封閉垂直度和水平兩個方向光的構造。實驗結果表明，前者有塊狀晶體300倍以上的生成效率，而後者有600倍以上，實施了高出預期的高效率量子糾纏光量子對光源。
此外，研究團隊還開發了一個將量子OCT系統結合到現有OCT系統之中的混合OCT系統（圖2）。竹内教授對混合OCT系統的用途做了如下描述：「利用混合系統，可以先使用解析度不高，但在速度上有優勢的傳統OCT對試樣進行大範圍觀察，然後再使用量子OCT對需要高解析度的觀察區域進行精密檢測。」
圖2.混合OCT系統。
將量子OCT組合到傳統OCT系統之内的高速、高解析度混合OCT系統。可首先使用傳統OCT在正常解析度下對試樣進行快速大面積掃描，然後再使用高速、高解析度的混合OCT在特定位置上進行超高解析度斷層掃描。
研究團隊的研究成果並不僅僅侷限於學術領域。對科技創新的貢獻還有「片上超寬頻頻率量子糾纏光發生及控制技術」。 作爲硅和有機聚合物的混合元件，研究團隊還開發出了裝在晶片上的高非線性環形諧振器和高頻數據機（圖3）。使用這種光源，有望實施量子感測器和量子通訊裝置的飛躍性小型化。今後，在理論驗證和社會應用所需的耐久性提高等方面，還有望取得更深水層次的突破。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
圖3.片上寬頻量子糾纏光源
透過片上環形諧振器實施了具有世界上最大頻寬和模組的量子糾纏光源。開發的氮化矽（SiN）片上環形諧振器的直徑約爲300µm（左）。圖中豎軸爲訊號光的頻率模式，橫軸顯示的是閒頻光的頻率模式（右）。可以看出，量子糾纏的光量子對產生於橫豎軸的模式數一致處。所產生的糾纏光量子對擁有以片上元件爲光源產生的世界最大的100nm（1nm爲十億分之一米）頻寬。
原文：JSTnews 2022年9月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
