ホーム / 学科の紹介 / 研究室・教員 / 量子電磁工学分野

量子電磁工学分野(北野研究室)

「光」も原子・分子などの「物質」も量子的な性質をもち, 重ね合わせ状態やエンタングル状態といった, 古典的な理論では説明つかない状態をとることができます. これらの, 純粋に量子的な状態を応用すると, 今まででは考えもつかないような機能を実現することも可能になります. 量子計測や, 近年脚光を浴びるようになった量子コンピュータや量子情報通信などが代表的な応用例です. また, 量子的な性質を探求すること自体に大きな意味があり, 量子力学の本質を基礎的見地から研究することも重要な研究テーマです.

また, 量子現象を利用すると想像もつかない高精度な測定が可能になります. その応用の1つ, 原子と電磁波との相互作用を動作原理とする原子時計では, GPSなど実生活と関係する分野にもその精度の高さが活用されています. 我々は高精度化をさらに追求し, 宇宙の寿命ほどの時間がたってようやく1秒狂うようなレベルの原子時計をレーザー光を使って実現しようと研究しています. さらに, その安定なレーザー周波数を基準として, その精度を保った別の波長のレーザー光やマイクロ波を自在に発生させる, 光周波数シンセサイザの研究を行っています.

以上のように, 我々の研究室では量子現象の基礎から応用まで, 実験と理論的考察(計算機シミュレーションを含む)の両方からアプローチしています.

教員

北野 正雄 ( Masao KITANO )

北野 正雄教授(工学研究科 電子工学専攻)

研究テーマ

量子エレクトロニクス,量子光学

連絡先

京都大学桂キャンパスA1棟127号室
TEL: 075-383-2321
FAX: 075-383-2324
E-mail: kitano@kuee.kyoto-u.ac.jp
http://www.kuee.kyoto-u.ac.jp/~kitano/

杉山 和彦 ( Kazuhiko SUGIYAMA )

杉山 和彦准教授(工学研究科 電子工学専攻)

研究テーマ

量子エレクトロニクス,量子計測工学
レーザー光による極めて正確で安定な原子時計, および, 量子コンピュータを, 単一イオンや配列イオンを使って実現する研究を行っています. また, 光からマイクロ波領域までの周波数を超短パルスレーザを使って合成する光周波数シンセサイザの研究など, 量子現象を応用した超精密計測技術の研究を行っています.

担当講義

  • 電子回路
  • 量子計測工学(大学院)

連絡先

京都大学桂キャンパスA1棟124号室
TEL: 075-383-2322
FAX: 075-383-2324
E-mail: sugiyama kuee.kyoto-u.ac.jp

中西 俊博 ( Toshihiro NAKANISHI )

中西 俊博助教(工学研究科 電子工学専攻)

研究テーマ

量子エレクトロニクス,量子光学,非線形光学
量子Zeno効果などの量子力学の基礎に関係する研究や光子対などの「光の量子性」に関係する研究を理論と実験の両面から行っています.

連絡先

京都大学桂キャンパスA1棟126号室
TEL: 075-383-2323
FAX: 075-383-2324

研究テーマ・開発紹介

単一イオン, 配列イオンのトラップ

超高真空中の狭い空間に電場で閉じこめた一個のイオンを, レーザ冷却で静止させる.このような単一イオンは周りから孤立していてイオン本来の性質を示すので,イオンが吸収する光の周波数を極めて正確に決定することができる. この周波数を基準としてレーザの発振周波数を安定化させることにより, 超高精度の原子時計を光領域で実現させる研究を行っている. また,冷却されて配列した状態で静止した少数個のイオンを利用して量子コンピュータの実現を目指す研究も開始している.

pic1

光周波数シンセサイザ

モードロックレーザーと呼ばれる超短パルスレーザーは, 非常に正確な時間間隔で光パルス列を放射する. これを周波数軸にフーリエ変換した姿は,一定の周波数間隔で発振している多数の連続波レーザの集合体となっている. その形状からこれは光周波数コム(櫛)と呼ばれ, 光周波数の物差しの目盛りとして利用することができる. さらに, この光パルスをフォトニック結晶ファイバーという特殊な光ファイバーに通すと, 光周波数コムのスペクトル幅は1オクターブ以上に広がる. スペクトル幅1オクターブ以上の光周波数コムでは, コムの各モードの周波数 (光領域) とコムのモード間隔 (マイクロ波領域) を関連付けることができることから, 光とマイクロ波の周波数を直接比較することができる. ここでは, GPS時計を基準にした光周波数計測システム, 周波数の安定な任意の波長のレーザーを出力する光周波数シンセサイザ, 及び, レーザー周波数を正確に分周して実現するメーザーよりも安定で正確なマイクロ波源の研究を行っている. 半導体レーザーを利用した小型の原子時計 (レーザー原子時計) の実現など, 応用面も重視して取り組む.

pic2

メタ物質/電子回路による波動伝搬のシミュレーション

自然界に存在するような物質の磁場に対する応答は非常に小さく, マイクロ波や光に対しては比透磁率はほとんど1 と見なせる. しかし, メタ物質と呼ばれる人工的に作られた構造物によって, 磁場に対する応答を大きく変化させることができる. 媒質の境界で電磁波が「く」の字に屈折する負屈折などは, メタ物質によって実現される現象である.本研究室では, 磁気的に共鳴するメタ物質を作製し, その特性を研究している.

metamaterial

それ以外にも, 電子回路を用いて, さまざまな波動伝搬現象をシミュレートする方法についても研究している.

光子対の生成とその応用

量子力学では, 遠く隔てられた系の間にもエンタングルメントと呼ばれる相関が存在することが知られている. このような量子相関は, 以前はアインシュタイン・ポドルスキー・ローゼン(EPR)のパラドックスとして多くの研究者を悩ませてきたが, その後光子対と呼ばれる量子相関を有する2つの光子を用いて, パラドックスではなく(奇妙ではあるが) 現実に存在しうる現象であることが確認された. 現在ではこの量子相関を巧みに利用することで, 新しい情報処理, あるいは光計測に応用しようとする試みがなされている. 当研究室では, 疑似位相整合結晶のパラメトリック下方変換(3 光波過程) を用いた高効率光子対の発生やフォトニック結晶ファイバ中の4光波混合を利用した光子対生成の研究と生成された光子対による2光子吸収に関する研究を行っている.

PCF