上接： 【量子技术现在时】（一）综述：在需求众多的广泛领域获得飞跃发展
【量子技术现在时】（二）超导量子，利用折纸结构的新型电路实现集成化
【量子技术现在时】（三）半导体量子，自由操控两个电子自旋
【量子技术现在时】（四）量子通信，长距离中继器的原理验证取得成功
【OVERVIEW】将量子检测技术广泛应用于包括医疗，宇宙观测等多个领域，并将之实用化，服务于社会生产生活，所需要的不仅是理论验证，还需要相关元件和检测仪器等的研究开发。京都大学研究生院工学研究科竹内繁树教授成功研发了宽频带的频率纠缠光源，并实现了内置该光源的量子光学相干断层扫描仪（量子OCT），其目标是通过对每个光子的单独控制，从而实现更高精度的量子检测技术。
竹内繁树
京都大学研究生院工学研究科教授
2016～2021年度CREST项目负责人
成功实现大米的无损检测
专注于“尖端研究”项目
虽然通用型量子计算机的开发还需要相当长的时间，然而量子技术中也有可率先应用于社会的领域。其中之一就是量子检测。例如，量子态可以被外部微小的影响所打破，进而来说，也可以利用量子态的变化来实现捕捉外部环境微小变化的高精度传感器。从而利用量子力学的特性，来实现创新性的检测技术。
担任CREST“高亮度宽带频率纠缠态的实现及其应用”课题负责人的、京都大学研究生院工学研究科的竹内繁树教授，就在从事利用量子纠缠光子对的新型量子光学检测技术的研究工作。竹内教授在研究生时代，就利用超导元件研究了声子的发生和检测方法，并于1993年为了从事新型量子元件的研发，而进入三菱电机工作。当时公司给他提出的第一个课题就是探索“新研究课题”，而作为探索的新课题之一，他提出了“在第一年进行关于大米的研究”。
这是是此前完全没有交集的关于“大米烹煮”的研究，在研究中竹内教授为了搞清楚对大米进行烹煮时，米粒的内部变化，开发了一种可以对一粒大米进行烹煮和观察的，使用了玻璃管和支架的特殊设备。“在本次产学合作研究中，我们使用了当时日本只有两台的核磁共振（NMR）微观成像设备，实现了对大米内部淀粉糊化过程的无损实时观测。这项研究的成果最终应用在了三菱电机的电饭煲产品上，实现了“美味煮饭按键”的功能。”竹内教授接着说到：“乍看起来，这与量子似乎无关，然而通过控制核自旋和相位松弛实现高速成像的经验，对我目前从事的量子研究也有帮助”。
之后在1995年，竹内教授提出了利用光子开发量子计算机的新研究课题。那一年27岁的他，成为了“先端研究”项目史上最年轻的入选者，并由此开始了他期待已久的量子领域的研究。竹内教授回顾说：“项目集结了以课题负责人吉森先生为领军者的许多优秀的老师，我得到了很多建议。甚至连当时鲜有的到海外进行研究的计划，也得到了项目组的支持”。随后的研究中，在1998年，竹内教授世界首次通过实验验证了利用单量子的量子算法，并紧接着开发出了一种在维持量子纠缠状态的前提下提取出纠缠光量子对的 “量子纠缠滤波器”和高辉度单光子源，取得了扎实的研究成果。
满足社会需求的开发
实现眼底检查设备的高速化
在如愿以偿的从事了光量子的相关研究和实验之后，竹内教授又将目光投向了量子检测的研究和应用。在经典光学检测中，为了进行高分辨率精密检测，往往需要将试样暴露在强光下，但这可能会造成试样的损伤。而使用强度较弱的光，又会花费较长的检测时间。竹内教授说明到：“在利用经典光学的光学检测中，光强度越高，精度越高，但从理论上来说，通过对光量子的利用，可以以经典光学检测中的十亿分之一的光强度，实现同样精度的检测。又或者，仅使用很短的时间来实现精度稍低但分辨率很高的检测”
竹内教授还提出了利用量子纠缠态光子对的“量子纠缠显微镜”方案。一般的微分干涉相差显微镜是通过检测由于试样“折射率”和“厚度”产生的光路差的一种显微镜技术，可以用来观察透明试样。在竹内教授的提案中，该量子微分干涉相差显微镜使用了纠缠光子作为照明光源，从而使之具备了可用于观测大约100个原子厚度的试样的能力。之后，在进一步探究利用量子纠缠光进行光学检测的可能性时，可用于眼底检查等拍摄视网膜断层图像的光学相干断层扫描仪（OCT）进入了视野。
OCT除了被广泛用于眼底观察外，还可以用于生产线的检查。现有的OCT存在的问题是，光线在通过介质时（例如眼底组织），其传播速度会因波长而异，导致分辨率大幅降低。但是如果使用量子纠缠光作为光源的量子OCT，从理论上说，不会出现分辨率下降的问题。
竹内教授的小组实现了世界上最大带宽的量子纠缠光，并通过实验表明，可利用该光源实现超出传统OCT 既存纪录——0.75µm（µm为百万分之一米）分辨率的0.54µm高分辨率。同时还证实了量子OCT基本不受色散的影响。竹内教授笑着说道：“我们实现了预期的高分辨率量子OCT，但拍摄一张图像需要8个小时！”这是由于当时使用的宽频带量子纠缠光子对光源的亮度不足造成的。
这种状况导致量子OCT难于投入实际应用，为此在2016年启动的CREST研究项目中，竹内教授开始了旨在实现更高效的量子纠缠光源和建立全新量子光检测技术的研究。为了更加有效地生成量子纠缠光，研究团队开发研制出了平面波导啁啾准相位匹配元件以及将光封闭在水平和垂直两个方向的脊形波导啁啾准相位匹配元件。
由此，研究团队开发出了两种高效量子纠缠光源：一种是拥有块状晶体300倍生成效率的平面波导元件，另一种是拥有块状晶体600倍生成效率的脊形波导元件（图1）。除了所开发的量子纠缠光源之外，研究团队还成功开发了使用超导单光子检测器、以及高速计数系统的量子OCT系统，在保有高分辨率的同时，图像生成时间缩短到90秒，图像的生成速度提高了300倍以上。
图1.“宽带域频率纠缠光子对”光源的开发
左边的平面波导元件只封闭垂直方向的光，而右边的脊状波导元件则具备封闭垂直和水平两个方向光的构造。实验结果表明，前者有块状晶体300倍以上的生成效率，而后者有600倍以上，实现了高出预期的高效率量子纠缠光子对光源。
此外，研究团队还开发了一个将量子OCT系统结合到现有OCT系统之中的混合OCT系统（图2）。竹内教授对混合OCT系统的用途做了如下描述：“利用混合系统，可以先使用分辨率不高，但在速度上有优势的传统OCT对试样进行大范围观察，然后再使用量子OCT对需要高分辨率的观察区域进行精密检测。”
图2.混合OCT系统。
将量子OCT组合到传统OCT系统之内的高速、高分辨率混合OCT系统。可首先使用传统OCT在正常分辨率下对试样进行快速大面积扫描，然后再使用高速、高分辨率的混合OCT在特定位置上进行超高分辨率断层扫描。
研究团队的研究成果并不仅仅局限于学术领域。对科技创新的贡献还有“片上超宽带频率量子纠缠光发生及控制技术”。 作为硅和有机聚合物的混合元件，研究团队还开发出了装在芯片上的高非线性环形谐振器和高频调制解调器（图3）。使用这种光源，有望实现量子传感器和量子通信装置的飞跃性小型化。今后，在理论验证和社会应用所需的耐久性提高等方面，还有望取得更深层次的突破。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀树）
图3.片上宽带量子纠缠光源
通过片上环形谐振器实现了具有世界上最大带宽和模数的量子纠缠光源。开发的氮化硅（SiN）片上环形谐振器的直径约为300µm（左）。图中竖轴为信号光的频率模式，横轴显示的是闲频光的频率模式（右）。可以看出，量子纠缠的光子对产生于横竖轴的模式数一致处。所产生的纠缠光子对拥有以片上元件为光源产生的世界最大的100nm（1nm为十亿分之一米）带宽。
原文：JSTnews 2022年9月号
翻译：JST客观日本编辑部
