量子もつれ光子を利用した時間分解分光法の提唱~高い選択励起性をもつ時間分解分光計測実現への重要な一歩~

2026-04-18 東京大学

東京大学と電気通信大学の研究チームは、量子もつれ光子対を利用した新しい時間分解分光法を提唱し、Science Advancesに発表した。本手法は、光子間の時間・周波数相関を活用することで、従来必要だった複数の超短レーザーパルスの精密制御なしに二次元スペクトル取得を可能にする。さらに蛍光光子と量子もつれ光子の同時計数検出により、量子相関由来の信号のみを選択的に抽出し、ノイズ低減と解析の簡素化を実現する。既存の単一光子検出技術で実装可能であり、装置の小型化や高選択性分光への応用が期待される。本成果は量子光学を応用した分光計測の実用化に向けた重要な一歩であり、生体分子の反応機構解明などへの展開が見込まれる。

量子もつれ光子を利用した時間分解分光法の提唱~高い選択励起性をもつ時間分解分光計測実現への重要な一歩~
本研究で提案した時間分解量子分光法の概念図

<関連情報>

もつれ光子を用いた二次元蛍光分光法と時間・周波数分解二光子同時検出 Two-dimensional fluorescence spectroscopy with entangled photons and time- and frequency-resolved two-photon coincidence detection

Yuta Fujihashi, Ozora Iso, Ryosuke Shimizu, and Akihito Ishizaki
Science Advances  Published:17 Apr 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.aed7026

Abstract

Recent theoretical studies highlight how nonclassical photon correlations in entangled photon pairs can selectively address nonlinear optical pathways. However, the resulting signals are typically too weak for practical time-resolved experiments. Here, we propose two-dimensional (2D) time-resolved fluorescence spectroscopy that exploits these correlations and operates with current single-photon detectors. The method provides two advantages over conventional 2D electronic spectroscopy: (i) It yields 2D spectra without phase-stable multipulse control, relying instead on heralded twin-photon correlations, and (ii) it simplifies spectra by isolating the contribution that is spectroscopically equivalent to stimulated emission, thereby suppressing ground-state bleaching and excited-state absorption. Numerical calculations for a natural pigment-protein complex–inspired trimer show that this pathway selectivity enables the extraction of rich information on energy transfer dynamics. These results indicate a feasible route to real-time observation of molecular dynamics using entangled photon pairs.

1701物理及び化学
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