真にランダムな偏光をもつ単一光子の発生に成功：量子サイコロ実現か

東北大学電気通信研究所は、ダイヤモンドを用いて、静的にも動的にも真にランダムな偏光状態にある単一光子を発生させることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

物理的真性乱数発生や量子暗号の技術開発に期待

　東北大学電気通信研究所の枝松圭一教授と阿部尚文研究員らの研究グループは2017年4月、ダイヤモンドを用いて、静的にも動的にも真にランダムな偏光状態にある単一光子を発生させることに成功したと発表した。光子を用いた量子サイコロのような真性乱数発生器を実現することができるという。

　光子の偏光を“真の乱数”として用いる場合には、「全ての偏光状態が等確率で起こること（静的ランダム性）」と、「時間的に隣り合う光子の偏光の間に相関が全くないこと（動的ランダム性）」を検証する必要があるという。これまでも、静的ランダム性の評価は行われてきた。しかし、動的ランダム性の評価法まだ認知されておらず、評価法の確立と検証実験が急務とされてきた。

　研究グループは今回、ダイヤモンド中の不純物欠陥である窒素−空孔中心（NV中心）を用い、静的かつ動的な無偏光状態を実現して、その特性評価を行った。

ダイヤモンド中の不純物欠陥（NV中心）を用いた無偏光単一光子発生の概念図 出典：東北大学

　具体的には、顕微鏡の対物レンズを通して、単一のNV中心にレーザーを照射すると、NV中心の電子が高いエネルギー状態に励起される。電子には“Ex”および“Ey”と呼ばれる2つの励起状態があり、それぞれ水平偏光（H偏光）および垂直偏光（V偏光）の単一光子が発生する。

　室温では、熱によりこれら2つの電子状態がランダムに混合されてから発光する。このため、発生する単一光子は、H偏光とV偏光がランダムに混合された無偏光状態になることが期待されている。こうした無偏光状態にある単一光子は、特定の方向（NV中心の軸方向）から観測する必要があるという。

　研究グループは今回、結晶面を工夫したダイヤモンド試料を用いて、特定の軸方向をもつ単一NV中心から発生する単一光子を観測し、無偏光性の評価を行った。実験では、発生した光子の偏光の静的ランダム性を高い精度で検証した。併せて、量子光学的な動的無偏光性の評価方法についても今回、初めて提案、検証した。「観測した光子が、静的にも動的にもほぼ完全なランダムの偏光をもつ、理想的な無偏光状態にあることを実証したのは世界でも初めて」と主張する。

2次の自己相関関数g（τ）を用いた動的無偏光性の評価 出典：東北大学

　今後は、無偏光単一光子を用いて、誤差など量子測定における不確定性関係の検証実験や、物理的真性乱数発生装置への応用研究などを行っていく予定である。