古典光学を量子世界へ ― Fock空間光学の新たな枠組みを実現(Bringing classical optics into the quantum world ― Joint team from Tsinghua, USTC, and BAQIS realizes a new framework for Fock-space optics)

2026-09-11 清華大学

清華大学、中国科学技術大学(USTC)、北京量子信息科学研究院(BAQIS)の共同研究チームは、古典光学の原理を高次元量子状態の制御に適用する「Fock-space optics(フォック空間光学)」という新たな枠組みを提案した。光の伝搬、屈折、レンズ、干渉、結像などを、光子数を人工次元とするフォック空間上の量子状態操作に対応付け、超伝導3次元マイクロ波キャビティを用いて最大180光子の実験で実証した。プリズムやレンズに相当する制御パルスによって、量子状態の屈折・集束・発散を実現し、さらにニュートンのプリズム実験、二重スリット干渉、結像現象も再現した。従来、高光子数の量子状態制御では数値最適化の計算量が急増する課題があったが、本手法は光学系を設計するように量子状態を直感的に操作できる。大規模ボソニック量子計算、量子誤り訂正、量子シミュレーション、量子計測などへの応用が期待される。

古典光学を量子世界へ ― Fock空間光学の新たな枠組みを実現(Bringing classical optics into the quantum world ― Joint team from Tsinghua, USTC, and BAQIS realizes a new framework for Fock-space optics)
Fig. 1: Concept and experimental implementation of Fock-space optics

<関連情報>

大規模量子状態のスケーラブルな操作のためのフォック空間における光学原理 Principles of optics in Fock space for the scalable manipulation of large quantum states

Yifang Xu,Yilong Zhou,Ziyue Hua,Lida Sun,Jie Zhou,Weiting Wang,Weizhou Cai,Hongwei Huang,Lintao Xiao,Guangming Xue,Haifeng Yu,Ming Li,Chang-Ling Zou & Luyan Sun
Nature Physics  Published:09 July 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03370-9

Abstract

The principles of wave optics provide elegant and scalable control over classical light in spatial and temporal domains. However, in the quantum regime, engineering Fock states of photons has been largely restricted to only a few photons at a time, hindered by the computational and experimental challenges of large Hilbert spaces. Here we introduce a conceptual framework of wave propagation in the quantum domain by treating the photon number in a microwave resonator as a synthetic dimension. In the large-photon limit, the coupling between adjacent Fock states becomes approximately uniform, allowing us to establish an analogy to light propagation. Using a superconducting cavity, we experimentally demonstrate Fock-space analogues of optical propagation, refraction, lensing, dispersion and interference with up to 180 photons. By mapping intuitive optical concepts onto the domain of high-dimensional quantum state engineering, our work provides an approach to scalable control of large-scale quantum systems with thousands of photons and advanced bosonic information processing.

1701物理及び化学
ad
ad
Follow
ad
タイトルとURLをコピーしました