量子イメージングの幅広い分野での基礎研究の進歩は、量子リソグラフィー、量子通信、量子コンピューティング、量子センシングなどの先進的な領域に直接的に影響を与えます。
オックスフォード・インストゥルメンツは、量子もつれ光子システムおよび極低温量子ガスに関する基礎研究の中核となるソリューションを提供しています。量子もつれは、2つの光子が遠く離れていてもつながった状態を維持し、一方の量子状態に対して行われた動作がもう一方の量子状態に瞬時に影響を与えることで起こる現象で、単一光子イベントを高い信頼性と高い測定率で正確に記録する能力が必要とされます。同様に、ボーズ-アインシュタイン凝縮のような量子ガスの研究分野では、捕捉された原子やイオンの高速ダイナミクスを画像化できる高度な検出器が、少量であっても大きなメリットをもたらしています。
量子光学の分野では、光子イベントや量子もつれ光子対の確実な検出が基本となっています。これらは非常に繊細な実験であり、界面での光子の損失や不要な背景光子の発生といった問題に悩まされています。また、統計的なスケールアップも課題であり、システム内の相関光子量の増加に伴い、並列イベント検出数の増加も求められます。そのため、単一検出器による画像領域のピンホールラスタースキャンは、実験時間が非常に長くなり、光子損失が大きくなるため、実現不可能になってしまいます。オックスフォード・インストゥルメンツでは、量子もつれの分野における最先端の研究開発を可能にする最先端の超高感度イメージングソリューションを提供しています。
当社のEMCCDカメラは、イメージングアレイに入射する空間的に相関のある光子を、高い識別性と信頼性で検出しなければならないシステムにおいて極めて有効であり、最終的に測定の高速化を実現しています。
Prof. Miles Padgett, Professor of Optics, University of Glasgow
ゴーストイメージングとは、対象物と一度も相互作用していない光から画像を形成する技術です。ゴーストイメージング実験では、相関のある2つの光場が生成されます。一方は対象物を照らし、もう一方は高分解能検出器により測定されます。このような複雑な測定には、空間的・時間的に相関のある単一光子を正確に測定することが必要になります。
当社アンドール・テクノロジーのインテンシファイアカメラは、このような先駆的な検出システムで使用され、全ての場面で単一光子イベントの時間ゲート記録を実現し、単一ピクセル検出器をスキャンする必要性を避け、高次元空間もつれ測定に劇的な効率向上を提供します。
量子もつれは、2つの粒子が遠く離れていてもつながっている状態で発生し、一方の粒子に対する作用が他方の粒子に影響を及ぼします。アインシュタインは、光子のもつれを「Spooky action at a distance（距離における不気味な作用）」と表現しました。Vienna大学のZeilinger教授は、オックスフォード・インストゥルメンツのICCDカメラを用いて、ある光子の測定がそのもつれたパートナーに及ぼす影響をリアルタイムで画像化できるほど、検出器が高速かつ高感度であることを示しました。
さらに、ICCDカメラを使用して、任意の空間モードのもつれを作り出すことができる高い柔軟性についても示すことができました。これは、量子光学におけるビジュアルイメージングが、もつれに対する直感的な理解を深めるだけでなく、量子科学の応用を向上させることを示唆しています。
Glasgow大学のPadgettグループの研究者らは、波長が大きく異なる相関光子を用いたカメラを用いたゴーストイメージングシステムについて報告しています。波長1550nmの赤外線光子が対象物に照射され、同時に検出された波長460nmの位置相関のある可視光子が、高効率・低ノイズの当社アンドール・テクノロジーの ICCDカメラで画像データとして記録されました。
赤外光照射から可視光検出波長への効率的な画像情報の転送と単一光子のカウントにより、わずか100pJ cm-2 s-1の光パワー密度で対象物を照らしながら画像を取得することができます。この波長変換ゴーストイメージング技術は、光に弱い被写体の撮影や、秘密裏に作業を行いたい場合に有効な技術だと考えられます。
BEC (ボーズ-アインシュタイン凝縮) などの量子ガスの研究において、トラップされた原子やイオンの速いダイナミクスを画像化できる高度な検出器の性能は、絶対零度に近い温度での MOT (磁気光学トラップ)で大きなメリットをもたらします。トラップされた原子やイオンの基本的な性質を明らかにするため、MOT解除直後の高速ダイナミクスを画像化することが重要になることがあります。さらに、トラップされた原子の微弱で離散的な蛍光イメージングを行わなければならないこともあります。
当社アンドール・テクノロジーのEMCCD、CCD、sCMOS検出器による市場をリードするポートフォリオは、多様な実験システムおよびイメージングモダリティにおいて、様々なタイプの量子ガスのイメージングに多様なソリューションを提供します。
広帯域特性「BEX2-DD」センサーオプションを搭載したiKon-M 934 CCDカメラは、吸収イメージングモダリティを用いた多様な超低温原子・イオン雲の研究を行うための実験システムに広く組み込まれています。
iXon Ultra EMCCDカメラシリーズは、超低温原子／イオンイメージングのためのソリューションとして非常に人気があり、吸収または蛍光イメージングモダリティによる研究を行う柔軟性を備えています。高速フレームレートでも単一光子感度があり、90%以上のQEと相まって、非常に少数のトラップされた原子のイメージングを可能にします。
数原子のMOTから、個々の原子がトラップに出入りする際の蛍光シグナルを測定
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量子光学の分野では、光の量子的な空間特徴を再構成するために、画像平面を走査する単一検出器によるイメージングが始まりました。
このウェビナーでは、EMCCDカメラで行われるフォトンカウンティングの概要、様々なノイズが引き起こす影響、データの忠実性と堅牢性、そして2次元量子イメージングのためのイメージングカメラとしてのEMCCDの展望を紹介します。
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カメラで見る量子力学
パラメトリック・ダウンコンバージョンは、量子光学のほとんどの実験で中心的な役割を担っています。入射したポンプビームからの光子が非線形結晶に吸収され、2つの新しい光子が生成されます。これらの光子は、全く同じ位置で、全く逆の横運動量を持つ光子が生成されます。
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