平成12年度年次報告井元・小芦研

平成12年度年次報告（総研大先導研井元・小芦研）

1. はじめに

　量子暗号、量子コンピューティング、量子テレポーテーション等をキーワードとする「量子情報処理」について、またこの３つのみならず、様々な多者間セキュリティプロトコルを量子力学的に実現することも含め、新しい量子情報処理の実現を目的として理論および実験的研究を行っている。またその基盤となる量子光学の研究を進めているが、これには、新しい量子状態の発生制御、エンタングルメント（量子相関）の発生制御、量子力学的に許される操作の特長や限界の解明に関する研究等を進めている。また関連研究として、近年進展している原子トラッピングおよびその新しい量子状態であるボーズ・アインシュタイン凝縮の研究も含む。
　平成12年度は、井元、小芦の他、Adam Miranowicz（客員研究員）、Sahin Ozdemir・Liu Yu-xi (PD)、山本俊・長田宏二（学生）、玉木潔(受託学生)により研究を進めた。また、科研費基盤研究(B)「量子力学と情報処理の絡み合い解明のための基礎研究」、科研費奨励研究(A)「光子による再帰型量子測定の研究」、および科学技術振興事業団・戦略的基礎研究推進事業（CREST）「電子・光子等の機能制御」「相関エレクトロニクス研究」（代表：平山祥郎）の支援を受けて行われた。

2. 量子情報処理

　量子暗号では (1)統一的理解および設計指針の理論化、(2)現実条件下での安全性の証明と条件明確化、(3)鍵配送以外の情報処理への応用(認証、多者間プロトコル等)の提案が課題である。平成12年度は(1)に関連してより一般的な理論構築を目指し「量子状態を変えずにできる情報抽出」の詳細条件を明らかにした[13,14,16等]。(2)に関してはB92方式量子暗号において損失やエラーがある場合の安全性について詳細検討を行った[45, 玉木：修士論文]。(3)に関しては「光子を無駄にしない4状態」が認証や「同一鍵の繰り返し使用を許す通信」等様々な応用のあることを明らかにした[4]。
　量子情報処理の基礎となるエンタングルメントの発生制御に関しては、制御NOTを線形素子で実現する方法の提案[1]、多qubitのエンタングルメントの理論的上限[5,10,16]、それを実現するための物理的相互作用[9]、古典通信によるエンタングルメント凝縮[11]について理論的研究を行った。

3. 量子光学

　量子ビットの任意の状態を準備する方法として提案された"quantum scissors"を実現するための実験系詳細検討を行った[8]。
　原子のボーズ・アインシュタイン凝縮(BEC)関係では、前年度研究としてアルカリ原子(Rb, Na)の磁気トラッピングから蒸発冷却によってBECを得るプロセスをボーズ気体運動論的に明らかにした。近年アルカリ原子以外に水素原子でのBEC実験が行われているので、12年度はこの理論を水素に拡張し、最適冷却法がアルカリ原子の場合と異なることを明らかにした[6]。
　光(一般にボゾン)の量子状態を記述する方法として変形Wehrlエントロピーが優れている場合があることを明らかにした[2]。

4. 学会開催・交流活動

　平成12年5月に葉山キャンパスにて「量子情報技術研究会」を電子情報通信学会および先導科学研究科の共催で主催し、115名の参加者を集めた。公開セミナー活動として4月にDr. Holly Cummins(Oxford)、13年１月に長谷川祐司氏（Atom Institute, Wien）、3月に客員のDr. Adam Miranowiczを講演者に招いて講演会を行った。

5. 学会委員・各種委員会活動

　平成10年度より任にあたっている応用物理学会「Optical Review」編集委員、平成10年11月からの電子情報通信学会量子情報技術研究時限専門委員会委員、平成12年2月からの総務省「量子力学的効果の情報通信技術への適用とその将来展望に関する研究会」の構成員を引き続き務め、新たに11月より上記量子情報技術研究時限専門委員会の委員長および学術誌"Quantum Information & Computation"のAssociate Editorを務めている(井元)。

6. 発表リスト

　欧文文献

[1] M. Koashi, T. Yamamoto and N. Imoto: ﾒProbabilistic manipulation of entangled photons,ﾓ Phys. Rev. A 63, 030301(R) (2001).
[2] A. Miranowicz, J. Bajer, M. R. B. Wahiddin and N. Imoto: ﾒWehrl information entropy and phase distributions of macroscopic quantum superpositions,ﾓ J. Phys. A 34, 1-10 (2001).
[3] V. Buzek, P. L. Knight, and N. Imoto: ﾒMultiple observations of quantum clocks,ﾓ Phys. Rev. A 62, 062309 (2000).
[4] K. Shimizu and N. Imoto: ﾒSingle-photon-interference communication equivalent to Bell-state-basis cryptographic quantum communication,ﾓ Phys. Rev. A 62, 054303 (2000).
[5] M. Koashi, V. Buzek and N. Imoto: ﾒEntangled webs: tight bound for symmetric sharing of entanglement,ﾓ Phys. Rev. A 62, 050302(R) (2000).
[6] M. Yamashita, M. Koashi, T. Mukai, M. Mitsunaga and N. Imoto: ﾒDynamics of evaporative cooling in magnetically trapped atomic hydrogen,ﾓ Phys. Rev. A 62, 033602 (2000).

　国際会議発表

[7] N. Imoto: ﾒCollective/individual manipulation and entanglement for qubit information control,ﾓ International Symposium on Carrier Interactions in Mesoscopic Systems (CIM2001), Atsugi, Japan, Feb. 13-14 (2001).
[8] S. K. Ozdemir, A. Miranowicz, M. Koashi and N. Imoto: ﾒOptical state truncation: a proposal for experimental realization,ﾓ International Symposium on Carrier Interactions in Mesoscopic Systems (CIM2001), Atsugi, Japan, Feb. 13-14 (2001).
[9] A. Miranowicz, S. K. Ozdemir, M. Koashi, N. Imoto and Y. Hirayama: ﾒEntanglement of quantum dots in the spin van der Waals model,ﾓ International Symposium on Carrier Interactions in Mesoscopic Systems (CIM2001), Atsugi, Japan, Feb. 13-14 (2001).
[10] M. Koashi, V. Buzek and N. Imoto: ﾒBounds on bipartite entanglement shared among many qubits,ﾓ International Symposium on Carrier Interactions in Mesoscopic Systems (CIM2001), Atsugi, Japan, Feb. 13-14 (2001).
[11] F. Morikoshi and M. Koashi: ﾒDeterministic entanglement concentration,ﾓ Fourth Workshop on Quantum Information Processing, Amsterdam, Jan. 9-12 (2001).
[12] N. Imoto: ﾒQuantum key distribution and its variationsﾓ (Invited), US-Japan Seminar 2000 on Coherent Quantum Systems, Newport, Rhode Island, USA, Sep. 18-21 (2000).
[13] M. Koashi: ﾒA principle behind no-cloning and no-imprinting theoremsﾓ (Invited), US-Japan Seminar 2000 on Coherent Quantum Systems, Newport, Rhode Island, USA, Sep. 18-21 (2000).
[14] M. Koashi and N. Imoto: ﾒA principle behind no-cloning and no-imprinting theoremsﾓ (Invited), Fourth International Conference on Computing Anticipatory Systems (CASYS'2000), Liege, Belgie, Aug. 7-12 (2000).
[15] N. Imoto: ﾒGeneral principle and possible applications of quantum cryptographyﾓ (Invited), 5th International Conference on Quantum Communication Measurement and Computing, Capri, Italy, July 3-8 (2000).
[16] M. Koashi and N. Imoto: ﾒQuantum cryptography and no-cloning theorem for pure, mixed, and entangled statesﾓ (Invited), Fifteenth European Meeting on Cybernetics and Systems Research-2000, Vienna, Apr. 25-28 (2000).

　和文文献

[17] 井元信之, 小芦雅斗:「量子暗号と量子論」, 日本物理学会誌, 第56巻第1号, 17-24 (2001).
[18] 井元信之:「量子と情報」, 数理科学第38巻第12号, 43-49 (2000).
[19] 井元信之:「量子非破壊測定」, 櫛田孝司編丸善実験物理学講座第９巻「レーザー測定」, 245-255 (2000).
[20] 小芦雅斗:「量子暗号と量子状態の測定」,レーザー研究, 第28巻第10号, 677-681 (2000).
[21] 井元信之:「『最近の量子光学の進展』特集号に寄せて」, レーザー研究，第28巻第10号, 644 (2000).

　国内会議発表

[22] 山下眞, 向井哲哉, 光永正治, 小芦雅斗, 井元信之:「擬２次元原子気体のダイナミクス」,　日本物理学会第56回年次大会30aYN-4.
[23] 井元信之:「量子情報の進展と今後」(Invited),　日本物理学会第56回年次大会28pYN-2.
[24] S. K. Ozdemir, A. Miranowicz, 小芦雅斗, 井元信之:「On the verification of truncation process in quantum sissors device」,　日本物理学会第56回年次大会28aYN-2.
[25] 長田宏二, 小芦雅斗, 井元信之:「A particular property of GHZ state estimated by means of Jaynes principle」,　日本物理学会第56回年次大会27aYN-9.
[26] 小芦雅斗, 井元信之:「What is possible without disturbing quantum signals?」,　日本物理学会第56回年次大会27aYN-8.
[27] 清水薫, 井元信之:「個別キャリア粒子攻撃に対しては安全なエラートレラント量子ビットコミットメント」,　日本物理学会第56回年次大会27aYN-7.
[28] A. Miranowicz, S. K. Ozdemir, 小芦雅斗, 井元信之:「Quantum information properties of quantum dots in the spin van der Waals model」,　日本物理学会第56回年次大会27aYN-4.
[29] 井元信之:「光子通信と量子暗号」(Invited), レーザー学会, Jan. 30 (2001).
[30] 井元信之:「通信における量子情報処理の物理的実現に向けて」(Invited), 応用物理学会量子エレクトロニクス研究会「量子情報処理」, 軽井沢, Jan. 25-27 (2001).
[31] 小芦雅斗:「量子暗号の原理と雑音下での安全性」(Invited), 応用物理学会量子エレクトロニクス研究会「量子情報処理」, 軽井沢, Jan. 25-27 (2001).
[32] 井元信之, A. Miranowicz, S. K. Ozdemir, 小芦雅斗:「Wigner representation of optical states in finite-dimensional Hilbert spaces」(Invited), Research Meeting on ﾒAnalytical Study of Quantum Information and Related Fieldsﾓ (RIMS), 京都大学, Jan. 18-19, (2001).
[33] 井元信之:「量子情報処理と物理の新概念」(Invited), 科学技術振興事業団異分野交流フォーラム, Jan. 13 (2001).
[34] 小芦雅斗:「量子暗号とその背後にある原理」(Invited), 第９回「非平衡系の統計物理」シンポジウム, 筑波大学, Jan. 10-12 (2001).
[35] A. Miranowicz, S. K. Ozdemir, 小芦雅斗, 井元信之:「Classical information of Schr單inger cat and cat-like states」, 第4回量子情報技術研究会(QIT4), Nov. 29-30 (2000).
[36] S. K. Ozdemir, A. Miranowicz, 小芦雅斗, 井元信之:「Experimental scheme for state truncation and teleportation using quantum scissors」, 第4回量子情報技術研究会(QIT4), Nov. 29-30 (2000). [37] 井元信之:「量子光学とその応用」, 茅コンファレンス, Nov. 5 (2000).
[38] 井元信之:「１フォトン１ビット量子波通信」, 第15回JIALセミナー, Oct. 20 (2000).
[39] 小芦雅斗, V. Buzek, 井元信之:「複数のqubit間でのエンタングルメントの分配」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-15.
[40] 山本俊, 小芦雅斗, 井元信之:「部分的にエンタングルした光子対のpurification法の提案」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-13.
[41] A. Miranowicz, S. K. Ozdemir,井元信之, 小芦雅斗:「Nonclassical states generated by optical state truncation」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-8.
[42] S. K. Ozdemir, A. Miranowicz, 井元信之, 小芦雅斗:「Limitations and efficiency of optical state truncation by projection synthesis」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-7.
[43] 長田宏二, 小芦雅斗, 井元信之:「GHZ状態発生実験における量子状態の推定」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-6.
[44] 清水薫, 井元信之, 向井孝彰:「光子の量子稠密符号化における外部自由度の利用」,　日本物理学会第55回年次大会23pYK-5.
[45] 玉木潔, 押川正毅, 小芦雅斗, 井元信之:「雑音下におけるB92量子暗号の条件付き安全性について」,　日本物理学会第55回年次大会23aYK-11.
[46] 小芦雅斗:「A principle behind no-cloning, no-broadcasting, and no-imprinting theorems」(Invited), 第３回量子情報技術研究会(QIT3), May. 29-30 (2000).
[47] 井元信之:「量子光学から量子情報処理へ」, 電子技術総合研究所講演会, Apr. 21 (2000).

量子光学・量子情報研究グループホームに戻る