【青山学院大学】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～

【研究の背景、経緯】
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す。一例としてメトロノームの集団運動（図1）が挙げられる。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る。その結果、シグナル強度（この場合は平均振幅）が増強する。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ある。

量子力学で良く知られた同期現象は超蛍光（※1）である。原子に代表される量子性が顕著な物質（以下、量子物質）がエネルギーの高い状態に励起されると、その内部エネルギーが光へと変換され、蛍光として自由空間に放出される。この現象は自然放出過程と呼ばれ、物質と真空場との相互作用に起因する。多数の量子物質が同時に励起された場合、各量子物質は共通の真空場を介して相互作用する。この結果、各々の量子物質は発光のタイミング、すなわち位相をそろえ、一般的な蛍光とは異なる高いピーク強度を持った光パルス「超蛍光」が放出される（図2）。古典力学と同様に、量子力学でもまた、同期現象にはシグナルの増強が付随するのである。半世紀以上に及ぶ検証の結果、超蛍光はあらゆる物理系で起こり得る普遍的な現象として認識されるに至った。

一方、超蛍光が持つ増幅（アンプ）特性を光デバイス開発へと適用するにあたって、一つ大きな問題点があった。超蛍光は真空場の量子ノイズ（※2）を増幅する過程であるために、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ある。メトロノームの同期現象に置き換えれば、各メトロノームの位相は自発的にそろうが、ある時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類似している。




【研究内容と成果】
超蛍光の絶対的な位相は不定だが、実際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る。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ある。このことから、光子雪崩とも呼ばれている。この点に着目した同大研究グループは、超蛍光の波長と共鳴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た。その上で、超蛍光とレーザー光との干渉測定を実施することによって、両者の位相関係を実験的に調べたところ、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た。（実験結果：図3(a)）