麻豆原创

竹内繁树さん（北大客员教授¹⁾）、岡本亮さん（北大電子科学研究所助教）、小野貴史さん（同博士研究員）の研究グループは、互いに相関した光子のペアを光源として用いて、「標準量子限界」という物理学上の限界を超えた感度をもつ光学顕微鏡を世界で初めて実现しました（本研究は “Nature Communications” 誌に2013年9月12日に論文として掲載されました）。いったい、どのような研究なのでしょうか。竹内さんたちに話を聞きました。?

なぜ高感度の顕微镜が必要なのでしょうか

光学顕微镜は観察対象に光をあててミクロの世界を捉えます。しかし、倍率を高くすると使える光が少なくなってしまうという问题があります。また、强い光をあてると伤んでしまう标本もあります。そのため、いかに少ない光で観察できるか、言い换えると、高い感度をもつ顕微镜をつくることが求められているのです。

今回私たちは、光子の「もつれ」を用いた「量子もつれ顕微镜」を世界で初めて実现しました。従来の光学顕微鏡に用いられている通常の光には、ある物理学的な限界があります。光が少なくなるとノイズが多くなり、像を捉えるのに必要な光の信号が識別できなくなるのです。この光の信号とノイズの大きさが等しくなる光の強さが「標準量子限界」です。しかし、「量子もつれ光」を用いれば、この標準量子限界よりも弱い光でも観察が可能になる、と私たちは考えました。?

（量子もつれ顕微镜の心臓部。右侧の青い机器が量子もつれ光子を発生させる光源）

光は光子と呼ばれる粒子からなっていますが、この光子の性质を理解し、操ることで、高感度の量子もつれ顕微镜が可能になります。量子力学をはじめとする现代物理学の発展と、ナノテクノロジーの进展によって、いまや光子を1个1个発生させたり闭じ込めたり、さまざまな仕方で操作したりできるようになってきています。

?当てる光に违いがあるのですね。ではどれくらい高感度になったのでしょうか？

量子もつれ光によって、レーザー光による従来型顕微镜の1.35倍の感度を达成し、「标準量子限界」を突破したことを検証できました。今回の実験方法の场合、理论上の上限は1.41倍の感度です。それに近い値を出すことができました。

この検証にはガラス基板の上に作った「蚕」のレリーフを観察対象に用いました。「蚕」の縦横の大きさは0.5ミリメートルですが、厚さはわずか100万分の17ミリメートル、原子にして100个程度しかないという、极めて薄いものです。この「蚕」を量子もつれ顕微镜で観察したところ、通常のレーザー光を用いた観测と比较して、より明瞭に蚕の文字を観察することができました。

?私たちの研究室では良质な『量子もつれ光子』をペアで発出させる世界最高レベルの技术を培ってきました。その利用が今回の成功のカギになったのです。

ところで…ペアの光子の「量子もつれ」とは？

二つの光子补と产が空间的に离れていても互いに関连した性质を示し、一方の光子补の状态础を観测することで、もう一方の光子产の状态叠が决定されることです。逆に言えば、観测するまでは光子补と产はそれぞれ础と叠両方の状态にあると言えます。この量子力学的现象を用いることで、少ない光子でも高い感度でサンプルに関する信号を得ることができるのです。

?さらに感度はあがるのでしょうか。今后の展开は。

今回の実験では一つのペアの光子もつれを利用しましたが、今後は、より多くのペアで行い、標準量子限界を大きく超える感度を実现させていく計画です。

量子もつれ顕微镜の开発によって、これまで感度が不足していたため観察できなかった、生体细胞内部の変化や、たんぱく质の结晶化过程の解明などに応用できるのではないかと期待しています。また、弱い光量でもより明瞭に対象を観测できるため、光量すなわちエネルギーが少なくて済み、将来的には低コスト化にもつながると考えています。

実は私たちの研究室では、量子情報科学を中心に、光量子コンピュータによる量子暗号通信などを研究しています。今回の研究は、量子技術の一つを顕微鏡に応用したものなのです。このように、光子（フォトン）を操ることで、様々なことが可能になります。私たちは光子を自在に操る、光子のお手玉師 “フォトン?ジャグラー”を目指しているのです。