量子光学の概念は1900年か1905年に遡り、量子力学の分野で画期的な研究が発表された年である。 マックスプランク (NAIST) と アルバート·アインシュタインプランクの場合、彼は後に「紫外線災害プランクがこの問題に対して行った解決策は、簡単に言えば、光のエネルギーは連続スペクトルではなく、 量子。アインシュタインは、この急進的なアイデアを使用して、当時の物理学者を困惑させていた別の問題、として知られる問題を説明しました。 光電効果。この現象を説明した彼の 1905 年の論文は、彼の XNUMX つの論文のうちの最初のものでした。 annus mirabilis その年の出版物によって、彼は1921年のノーベル物理学賞を受賞した。
マクスウェルが提案し、アインシュタインが説明したこれらの量子は光子として知られており、光の波動と粒子の二重性の重要な要素であり、既存の物理学に革命をもたらし、量子力学の分野全体を本質的に発明した観察です。量子光学 (QO) の分野は後にこの初期の研究から発展し、光、特に物質と相互作用する光の量子的性質をさらに理解しようと努めました。 100 年以上を経て、QO は多くの独自の下位分野を持つ巨大な研究分野に成長し、研究者に多くのノーベル賞をもたらしました。
量子光学のサブ分野: センシングから計算まで
量子光学には多くのサブフィールドがあります。最も顕著なもののいくつかを以下に説明します。毎日新しい発見が行われているため、これは完全なリストではありません。さらに、サブフィールド内の研究は必ずしもきちんとした枠内に収まるとは限りません。主題と実験手法が重複することはよくあります。
量子情報科学 (QIS)
QISは、量子コンピューティング、量子通信、および量子暗号の研究を包含する分野です。これらの分野では、情報処理と安全なデータ伝送に量子状態が利用されるのが一般的です。これは、過去10年間で量子光学の最も顕著な応用例と言えるでしょう。2022年のノーベル物理学賞は、QIS分野の研究に対して授与されました。ここ数年で、量子コンピューティングはニッチな学術分野から大規模な産業へと変貌を遂げました。光量子コンピューティングの範囲内にとどまっても、トラップイオン、中性原子、フォトニックプロセッサなど、多くの種類の量子ビットシステムが覇権を争っています。計算以外の分野では、安全な通信の可能性により、暗号などの分野にも変化が見られるかもしれません。 量子鍵配布 (QKD)。
量子計測学
この分野は、重ね合わせや量子もつれなどの量子特性を用いて物理量を測定することを中心に展開し、最終的には古典的な限界を超える精度を目指しています。応用例としては、 光原子時計, 量子センシング, 量子ホログラフィックイメージング.
空洞量子電磁力学（CQED）
CQED は、キャビティ内の量子化された光と物質の間の相互作用を研究します。光空洞は、単一原子 (人工または天然) と光子を分離して保存するための優れた空間を作り、量子のもつれやコヒーレンスなどの現象を調査できるようになります。 CQED の画期的な取り組みにより、 2012ノーベル物理学賞CQED技術はそれ自体が活発な研究分野であるものの、1990年代から2000年代にかけて開発された技術は、現代の量子コンピュータアーキテクチャの開発において不可欠な役割を果たした。
量子非線形光学（QNLO）
QNLO は、いわゆる光と物質の相互作用を調べます。 非線形メディア、分極が印加電場に対して非線形に応答する媒体を意味します。これは通常、非常に高い出力でのみ達成できますが、最新のレーザーはこの条件を満たすことができます。 QNLO は個人間の効果的な相互作用に重点を置いています。 光子と他の光子 リュードベリ原子などの系で。
超高速光学系
この分野は、量子系における極めて短い時間スケールの現象を扱い、典型的には10⁻¹⁵（フェムト秒）から10⁻¹⁸（アト秒）のオーダーである。超高速レーザーパルスの生成に関する先駆的な研究は最近、 2023ノーベル物理学賞パルスを用いることで、原子や電子のダイナミクスをプローブし、制御することが可能になります。これらのダイナミクスは、非常に短い時間スケールで発生します。超高速レーザーパルスは出力も非常に高いため、材料の非線形挙動を生成するのに特に有効です（上記のQNLOの項を参照）。
量子光学実験の構成要素
この分野で行われる実験の範囲は広大ですが、多くの量子光学研究室で共通している機器がいくつかあります。
- レーザー。分野としての量子光学はレーザーなしでは存在しなかったと言っても過言ではありません。 Schawlow と Townes によって最初に提案されました。 in 1958 そしてMaimanによってデモンストレーションされました in 1960、レーザーは物理学、工学、化学の研究全体にわたって広く普及しています。レーザーの主な特徴は次の 2 つです。 単色 (NAIST) と 筋の通った、 これは、それらが単一の周波数で動作し、放出された光子のすべてが互いに同位相であることを意味します。これらの特性により、研究者は特定の原子遷移をターゲットにして駆動し、長距離にわたって量子状態情報を保存し、高精度の干渉分光法を実行することができます。
- 音響光学 および電気光学変調器 (AOM/EOM)。これら 2 つのデバイスは、異なる物理原理で動作しますが、レーザー ビームを変調するという機能においては非常に似ています。 RF 信号をビームと組み合わせて変調器の入力に適用することにより、特定の周波数で振幅変調 (AM) または偏光変調を行うことができます。変調信号は次の方法で簡単に検出できます。 ロックインアンプ。 RF 信号自体は、 任意波形発生器 高度なパルス整形を実現します。
- 光キャビティまたは共振器。量子スケールの実験の多くは、単一光子または単一原子の物理学を伴います。したがって、光と物質の間の相互作用が、 光キャビティの使用。光キャビティは通常、高度に研磨された 2 つの対向するミラーで構成されており、 品質係数これは、光がキャビティから出る前に 2 つのミラーの間で何度も振動することを意味します。レーザービームの周波数は通常、として知られる技術によって空洞共振に同期されます。 レーザーロック.
- 干渉計。これらのデバイスは、 ビームスプリッターとミラーの配置、入射レーザー光線を 2 つの経路に分割することで動作します。これらのパスの 1 つは基準信号として使用され、もう 1 つはテスト対象のシステムを含みます。この後、別のビーム スプリッターがビームを再結合して干渉パターンを作成し、それを分析して変位、回転、または屈折率の小さな変化を測定します。フォトダイオードと ロックインアンプ 通常、光干渉計の出力を測定するために使用されます。
量子光学の将来展望
量子光学の技術は進歩し続けており、計時と測定の感度が向上し、データのより安全な暗号化が可能になっています。光量子コンピューティングは、今日のコンピューターでは困難な特定の問題も解決できると期待されています。超高速、高出力レーザーは、材料からこれまで知られていなかった挙動を抽出することができます。この分野を前進させ続けるためには、正確で多用途のテストおよび測定機器も進化する必要があります。
Moku ソフトウェア定義計測器がどのように量子光学実験の開発を推進しているかについて詳しくは、次のケーススタディをご覧ください。
進化する光クロック性能ベルリンのフンボルト大学とフェルディナンド ブラウン研究所の研究者がデジタル ファーストのアプローチを使用して、退屈な手動プロセスを排除し、重要なテストを自動化し、クロックの安定性を最適化している方法をご覧ください。
機械学習による光キャビティの自動位置合わせFloquet の研究者がどのようにソフトウェア定義の計測器を使用してレーザー ビームの調整を自動化し、機械学習機能を物理システムに導入しているかをご覧ください。
上海交通大学のチームが、デジタル ロックイン検出とスペクトル分析を使用して量子計測技術を限界まで押し上げている方法を学びましょう。
Mokuロックインアンプで位相同期回路（PLL）を実装する方法については、当社の クイックスタートガイド.
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