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2024.02.15
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【理工学部】量子の同期現象を利用して光強度を7桁増強することに成功 ～量子光アンプの開発に期待～
理工学部物理科学科の北野健太助教、前田はるか教授の研究グループは、超蛍光と呼ばれる量子の世界で起こる同期現象を用いて、レーザー光の瞬間強度を7桁以上増強することに成功しました。この研究成果は、2024年2月12日に、"Physical Review Letters"誌のオンライン版に掲載されました。
1．量子力学の同期现象である超蛍光を微弱なレーザー光を用いて制御することに成功 2．レーザー光の瞬间的な光强度を超蛍光によってコヒーレントに7桁以上増强することに成功 3．超蛍光が光の量子状态にどのように作用するのかを解明することで量子光アンプの开発につながると期待
気体の原子をはじめとした量子性が顕着に表れる物质が、内部エネルギーの高い状态に励起されると、自然放出过程によって蛍光が放出されることがあります。そのような物理系において、复数の原子が一斉に励起されると、真空场を介して各原子が相互作用します。その结果、各々の原子から放射される光の位相が徐々に同期され、极めてピーク强度の高いコヒーレントな光パルス、いわゆる「超蛍光」が放射されます。光が存在しない空间から、突如として强力な光パルスが放射されるという点で、超蛍光は真空场を増幅する机构と考えられています。 本学理工学部物理科学科の北野健太助教、前田はるか教授の研究グループは、外部から微弱なレーザー光を照射した条件下で超蛍光を実现し、その増幅特性を精密に评価しました。その结果、レーザー光の瞬间强度が超蛍光によって、7桁以上もコヒーレントに増强されていることを発见しました。この研究成果は、超蛍光の持つ比类なき増幅能力を実証しています。特に、超蛍光による光の増幅は、原子集団が自発的に量子もつれ状态を形成することに起因しており、レーザーに代表される従来の光増幅机构とは全く异なります。この特性を解明することによって、将来的には非古典光に作用するいわば「量子光アンプ」として开発されることが期待されます。 なお、本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究费助成事业基盤研究（B）（22H01159）、公益財団法人 JKA競輪、公益財団法人光科学技術研究振興財団による研究助成事業の支援のもと実施されました。 ▼论文情报 タイトル：Coherent Amplification of Continuous Laser Field via Superfluorescence 著者名：Kenta Kitano and Haruka Maeda 雑誌：Physical Review Letters 顿翱滨：10.1103/笔丑测蝉搁别惫尝别迟迟.132.073201
古典力学において、自発的な同期現象は物理?生命?化学?工学をはじめとしたあらゆる分野で多彩な役割を果たします。一例としてメトロノームの集団運動（図1）が挙げられます。各メトロノームは共通の土台を介して相互作用することで振動のタイミングが自発的にそろうことが知られています。その結果、シグナル強度（この場合は平均振幅）が増強します。このようにシグナルの増強、より正確には S／N比の向上は、多種多様な同期現象に付随する共通の産物です。 量子力学で良く知られた同期现象は超蛍光（※1）です。原子に代表される量子性が顕着な物质（以下、量子物质）がエネルギーの高い状态に励起されると、その内部エネルギーが光へと変换され、蛍光として自由空间に放出されます。この现象は自然放出过程と呼ばれ、物质と真空场との相互作用に起因します。多数の量子物质が同时に励起された场合、各量子物质は共通の真空场を介して相互作用します。この结果、各々の量子物质は発光のタイミング、すなわち位相をそろえ、一般的な蛍光とは异なる高いピーク强度を持った光パルス「超蛍光」が放出されます（図2）。古典力学と同様に、量子力学でもまた、同期现象にはシグナルの増强が付随するのです。半世纪以上に及ぶ検証の结果、超蛍光はあらゆる物理系で起こり得る普遍的な现象として认识されるに至りました。 一方、超蛍光が持つ増幅（アンプ）特性を光デバイス开発へと适用するにあたって、一つ大きな问题点がありました。超蛍光は真空场の量子ノイズ（※2）を増幅する过程であるために、そのノイズを反映して、超蛍光の絶対位相が光パルス毎に揺らいでしまうことです。メトロノームの同期现象に置き换えれば、各メトロノームの位相は自発的にそろいますが、ある时刻で全体がどこを向いているかまでは制御できないということに类似しています。
超蛍光の絶対的な位相は不定ですが、実际のところは原子集団から最初に放出された光子の位相にそろうと考えられています。超蛍光では、初めに放出された光子が呼び水となって同じ位相の光子が次々と放出されるのです。このことから、光子雪崩とも呼ばれています。 この点に着目した本学研究グループは、超蛍光の波长と共鸣した微弱なレーザー光を原子集団に照射した条件下で超蛍光を発生させる実験を実施しました。その上で、超蛍光とレーザー光との干渉测定を実施することによって、両者の位相関係を実験的に调べたところ、レーザー光の位相が超蛍光の位相へと転写されていることが判明しました。（実験结果：図3(补)） 図中では、レーザー光と超蛍光の位相が同期していることを示す量子ビートが明确に観测されました。この结果で重要なことは、照射されているレーザー光は极めて微弱であり、超蛍光の光子雪崩を引き起こす最初の光子を原子集団に注入したに过ぎないという点です。超蛍光として放出される光エネルギーは原子集団の内部エネルギーから提供されることに何ら変わりはないのです。この结果を言い换えれば、微弱なレーザー光の光强度が超蛍光によってコヒーレントに増幅されたと捉えることもできます。そして、実験结果から実に瞬间强度にして7桁も増幅していることが判明しました。（増幅の模式図：図3(产)） このような飞跃的な増强は、超蛍光の光子雪崩のメカニズムから説明することができます。実験结果から超蛍光に関与した、すなわち同期された原子の数は约10?个と见积もられました。すなわち、たった一个の光子が呼び水となって、约10?个の光子からなる光パルスが放出されるのです。同期させることができる原子の数には上限があるものの、超蛍光が极めて强力な光アンプとして机能することが実証されたと言えます。
今回の研究によって超蛍光が光アンプとして机能することが実証されました。しかし、未だ超蛍光が有する光アンプとしての広大な可能性のごく一部が解明されたに过ぎません。なぜなら、今回の研究では増幅前后の光に関して、光强度という古典量のみを测定対象としているからです。実际、得られた研究成果の大部分に関しては古典的な同期现象と対応させて説明することができます。つまり、本来、超蛍光とは量子力学の同期现象なのですが、今回の研究ではその古典的な侧面を中心に明らかにしたに过ぎず、量子力学の同期现象が古典力学のそれと何が异なるのか、という本质的な问题に関しては未解明なのです。 この问いに答えるためには、増幅前后の光の量子状态を観测することが必要不可欠です。超蛍光の量子性（※3）を対象とした研究は近年急速に発展しつつある新しい研究领域であり、本学研究グループもこの研究领域への参入を予定しています。例えば非古典光（※4）と呼ばれる量子性が顕着な光を入力光とし、増幅后の超蛍光の量子状态を観测します。そして、微弱な量子信号がどのようにアンプされるのかを解明することができれば、唯一无二の量子光デバイスである、いわば「量子光アンプ」の开発につながると期待されます。超蛍光のアンプ特性を対象とした研究の背景には、ミクロとマクロの世界がどのようにつながっているのかという根源的な问いがあります。その観点では、あるいは量子力学の未解决问题として知られたシュレディンガーの猫を研究するためのヒントが隠されている可能性があります。 ▼用语解説 ※1 超蛍光 1954年、R. Dickeによって提唱された集団的な輻射現象。量子物質が自然放出過程を介して自発的に遷移双極子の位相を同期させ、その結果としてコヒーレントな光パルスが放射される現象。 ※2 量子ノイズ 光の量子论においては、真空状态と呼ばれる基底状态でも空间は一定の光エネルギーで満たされています。真空状态では光の位相が量子力学的に不确定な状态であるため、本発表ではこれを量子ノイズと呼びます。 ※2 超蛍光の量子性 超蛍光の量子性を観测するためには、同期现象のスピードを落とし、ゆっくりと放射される超蛍光に対して光子カウンティングを导入することが必要となります。しかし、このような遅い同期现象は、通常量子物质の热运动に伴うデコヒーレンス过程によって阻害され、长らく実现できませんでした。しかし近年、冷却原子系に代表されるデコヒーレンス过程を极限的に排除した実験环境が実现され、超蛍光の量子性を研究する研究が开始されました。 ※4 非古典光 光の量子状态を巧みに制御することによって、统计的な光子の集団では実现できない性质を実装した光。例えば、互いに不确定性関係にある直交位相成分に関して片方の揺らぎ成分を圧缩させたスクイーズド光や二つの光子が量子力学的なもつれ状态にあるエンタングルド光子ペアなどがあります。
▼研究に関する问い合わせ先 理工学部 物理科学科 北野健太（きたのけんた）助教 罢贰尝：042-759-6281 惭补颈濒：办别苍迟补.办颈迟补苍辞＠驳尘补颈濒.肠辞尘 ※メール送信の际は、「＠」を半角に変更してください。 理工学部 物理?数理学科 前田はるか（まえだはるか）教授 罢贰尝：042-759-6265 惭补颈濒：丑尘补别诲补＠辫丑测蝉.补辞测补尘补.补肠.箩辫 ※メール送信の际は、「＠」を半角に変更してください。 ▼取材に関する问い合わせ先 青山学院大学 政策?企画部 大学広报课 罢贰尝：03-3409-8159
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