電磁波中で位相が特異点をなす光渦は、量子化された軌道角運動量（OAM）を運ぶことから、光通信や光操作への応用として近年盛んに研究されている。OAMを持つ渦ビームは通常、常光波動方程式の基底状態ではない解であり、方位角φに対する位相因子 e^ilφ（整数lはトポロジカルチャージ）で表され、1光子あたり ℏl のOAMを運ぶ。光を微小空間に閉じ込める光共振器（マイクロキャビティ）に自己組織的な液晶の配向欠陥を封じ込めると、光の偏光と空間分布が結び付いたスピン軌道結合状態が階段状の準位として現れる。とりわけキラル液晶中に自発形成される軸対称な欠陥構造はトロンと呼ばれる。

　しかし、こうした系では最低エネルギーの基底状態を渦の無い状態が占め、OAMを持つ渦状態は励起状態に限られるため、基底状態から直接OAMレーザー発振を得ることは難しいという問題があった。

　そこで、本研究では色素をドープしたマイクロキャビティにキラル液晶トロンを自己組織的に埋め込むことで、状態の順序を反転させ、基底状態そのものが光渦を持つ系を実現した。レーザー発振で観測されるフォーク状の干渉縞により、基底状態がOAMを担うことを確認した。さらに、空間的に変化する液晶の複屈折が実空間の非可換ゲージ場として働いて状態順序の反転（トポロジカル転移）を引き起こすことを、偏光を結合する位置依存項を含む有効シュレディンガー方程式に基づく理論模型で説明した。Cobolt社製のQスイッチ半導体励起固体レーザー（Tor XS、中心波長532 nm、パルス幅2 ns）は、キャビティ内の色素を励起してレーザー発振・発光を生じさせる励起光源として用いられた。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• 軌道角運動量（OAM）：光ビームがらせん状の波面をもつときに運ぶ、伝搬方向まわりの回転的な運動量。1光子あたり ℏl（lは整数）で量子化され、渦ビームの識別や情報の多重化に利用される。
• トロン（toron）：キラル液晶中に自己組織的に形成される、軸対称で局在したトポロジカルな配向欠陥構造。安定に存在し、光渦の発生源となりうる。
• 非可換ゲージ場：作用の順序を入れ替えると結果が変わる（非可換な）内部自由度に働く場。本研究では、液晶の空間的に変化する複屈折が光の偏光自由度に対してこの役割を果たし、状態順序の反転を導く。

キャビティ内色素の励起に使用された532 nmパルスレーザー

　炭化ケイ素（SiC）は既存の半導体製造技術と整合する材料でありながら、結晶中に量子技術の光源となる色中心（結晶格子の欠陥に電子が束縛され、特定波長の光を吸収・放出する発光中心）を含むことから、量子情報処理の基盤として近年急速に研究されている。中でもケイ素空孔V1・V2は、電子スピンの位相を長く保つなど優れたスピン・光学特性をもつ。こうした色中心では、電子スピンの状態を一回の測定で判別する単一ショット読み出しが量子計算や量子通信の要素技術として重視される。その実現には放出光子を多く検出することが鍵となり、固浸レンズや微小柱、共振器、導波路への集積が試みられてきた。

　しかし、SiCではこれらの構造でも光子の収集効率が十分でなく、光遷移を通じた単一ショット読み出しは実証されていなかった。導波路の両端からファイバで光子を集める方式は効率が高いが、低温装置内は空間が限られ二本のファイバを向かい合わせに置けないため、放出光子の約半分が失われる問題があった。

　そこで、本研究では導波路の一端に広帯域のフォトニック結晶反射器（周期構造で特定波長の光を強く反射する鏡）を集積することによって解決した。反射器側へ向かう光子を送り返すことで、反対端の一本のファイバだけで両方向の光子を集められる。設計・作製した三角断面の反射器は広い動作波長域と高い反射率を示し、V2色中心を埋め込んだ素子を極低温で評価して、電子スピンの単一ショット読み出しの実現可能性を示した。Cobolt社製の波長730 nm半導体レーザーは、色中心の初期化と再励起を行う光源として用いられた。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• 色中心（カラーセンター）：結晶格子の欠陥に電子が捕らえられ、特定波長の光を吸収・放出する発光中心。ダイヤモンド中の窒素空孔などが代表例で、単一光子源や量子ビットとして利用される。
• 単一ショット読み出し：量子ビットの状態を、多数回の測定の平均ではなく一回の測定で判別する手法。測定に伴う情報損失を抑えられ、量子計算の誤り訂正や量子通信に不可欠とされる。
• フォトニック結晶：屈折率が光の波長程度の周期で変化する構造。ある波長域の光の伝搬を禁じるバンドギャップが生じ、これを利用して光を強く反射したり狭い領域に閉じ込めたりできる。

色中心の初期化・再励起に使用された730 nmレーザー

　量子フォトニクスでは、光の状態の時間発展は通常、光子数を保つ可逆的なユニタリ変換で記述され、多port干渉計によって実装される。これを光子数の保たれない不可逆な過程へ拡張したものが非ユニタリ変換であり、損失や測定の反作用といった開放系の現象を記述する。線形光学をこの領域へ拡張すると、散逸やデコヒーレンス、一般化測定の模擬が可能になることから、非ユニタリ変換は近年重要性を増している。その代表例がコヒーレント完全吸収（CPA）であり、これは損失媒質が両側から入射する光を、媒質自体のみならず入力光の相対位相に応じて部分的あるいは完全に吸収する現象である。CPAは任意の光子数を持つフォック状態へ拡張でき、単一光子では決定論的な吸収・透過が、二光子NOON状態では線形媒質中でも非線形的な振る舞いが生じ、状態選択的なろ過や光子相関の操作を可能にする。

　しかし、従来の量子CPA実験は再構成不可能な固定素子に依存しており、吸収体の媒介変数が固定で動作点が限られ、入力位相の制御に可動部を要したため、安定性や調整速度に制約があるという問題があった。

　そこで本研究では、量子コヒーレント吸収をプログラム可能な集積フォトニック回路上で模擬し、これらを解決した。損失ビームスプリッタ変換を準ユニタリ分解法により補助モードを介して8モードのClements型万能干渉計へ埋め込み、CPAの全媒介変数を可変とした。単一光子状態では完全透過と完全吸収の位相制御による連続調整を、二光子NOON状態では決定論的単一光子吸収と確率論的二光子吸収の切替を観測し、反凝集や束化といった非古典効果も確認した。古典Fisher情報は単一光子で1、NOON状態で3.4に達し、ショットノイズ限界2を超えハイゼンベルク限界4に迫った。なお光子対を生成する自然パラメトリック下方変換（SPDC）光源の励起光には、Cobolt社製の連続波ダイオードレーザー（785nm、70mW）が用いられた。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

【用語解説】

• NOON状態: N個の光子が2つのモードのいずれか一方に全て存在する状態の重ね合わせ。位相に対する感度が古典的な光より高く、量子計測において精度向上に有利となる。
• コヒーレント完全吸収（CPA）: 損失媒質に両側から入射する光が、その相対位相に依存して完全に吸収される現象。レーザー発振の時間反転過程とみなせる。
• Fisher情報: 出力の確率分布が入力位相の微小変化に対してどれだけ敏感かを表す量。値が大きいほど、与えられた測定で達成できる位相推定の精度（Cramér-Rao限界）が高いことを意味する。

分光に使用された785nmレーザー

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