JP7636811B2 - Diffuse optical tomography device, backscattered light measurement device, analysis method, analysis device, and program - Google Patents
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Description
本発明は、分析方法、発光分析装置、拡散光トモグラフィー装置、撮像装置、反射率測定装置、分析装置、及びプログラムに関する。 The present invention relates to an analysis method, an optical emission analysis device, a diffuse optical tomography device, an imaging device, a reflectance measuring device, an analysis device, and a program.
従来、光を用いて、分子や結晶等の対象物の特性を分析する手法が知られている。例えば、2つのパルス光の一方を対象物に照射し、もう一方をリファレンス用として用いることによって対象物の特性を分析する手法が知られている。Conventionally, there are known methods for analyzing the characteristics of objects such as molecules and crystals using light. For example, there is a known method for analyzing the characteristics of an object by irradiating one of two pulsed lights onto the object and using the other as a reference.
また、分野や適用対象は異なるが、量子もつれ光子の生成や利用に関する研究も進展している(例えば特許文献1、2)。
In addition, although the fields and applications are different, research on the generation and use of quantum entangled photons is also progressing (for example,
上述のように、パルス光を用いて対象物の特性を分析する手法では、分析装置の規模が大きくなる傾向があり、また、パルス光を照射することによって対象物にダメージを与える可能性があるという課題がある。また、対象物へのダメージを低減させるため、連続光を対象物に照射することも考えられるが、このような手法では、対象物の時間的な特性を特定しづらいという課題がある。As mentioned above, the method of analyzing the characteristics of an object using pulsed light has the problem that the analytical equipment tends to be large in size, and there is also the problem that irradiating the object with pulsed light may damage the object. In addition, it is possible to irradiate the object with continuous light in order to reduce damage to the object, but this method has the problem that it is difficult to identify the temporal characteristics of the object.
本発明の一態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することのできる技術を実現することを目的とする。One aspect of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and aims to realize a technology that can analyze the characteristics of an object, including temporal characteristics, while reducing damage to the object.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る分析方法は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成ステップと、前記複数の光子のうち第1の光子を検出する第1の検出ステップと、前記複数の光子のうち第2の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の光子を検出する第2の検出ステップと、前記第1の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第2の検出ステップにおける検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析ステップとを含んでいる。In order to solve the above problems, an analysis method according to one aspect of the present invention includes a generation step of generating a plurality of photons that are in a quantum entangled state with each other, a first detection step of detecting a first photon of the plurality of photons, a second detection step of detecting a third photon obtained by irradiating or making incident a second photon of the plurality of photons on an object, and an analysis step of analyzing characteristics of the object by referring to the difference between the detection timing in the first detection step and the detection timing in the second detection step.
本発明の一態様に係る分析装置は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成部と、前記複数の光子のうち第1の光子を検出する第1の検出部と、前記複数の光子のうち第2の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の光子を検出する第2の検出部と、前記第1の検出部による検出タイミングと、前記第2の検出部による検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析部とを備えている。An analysis device according to one aspect of the present invention includes a generation unit that generates a plurality of photons that are in a quantum entangled state with each other, a first detection unit that detects a first photon of the plurality of photons, a second detection unit that detects a third photon obtained by irradiating or making incident a second photon of the plurality of photons on an object, and an analysis unit that analyzes characteristics of the object by referring to the difference between the detection timing by the first detection unit and the detection timing by the second detection unit.
本発明の一態様によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することのできる技術を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, a technology can be realized that can analyze the characteristics of an object, including temporal characteristics, while reducing damage to the object.
〔実施形態1〕
<概要>
以下、本発明の一実施形態に係る分析装置について説明する。本実施形態に係る分析装置は、複数の光子のうち、ある光子を参照用(リファレンス)として用い、他の光子を対象物への照射又は入射用(測定用と呼ぶこともある)として用いることによって、対象物に関する特性を分析する装置である。分析装置1は、一般的にTCSPC(Time-Correlated Single Photon Counting)装置と呼ばれる装置の一例ともみなされ得る。
[Embodiment 1]
<Overview>
An analysis device according to an embodiment of the present invention will be described below. The analysis device according to this embodiment is a device that analyzes characteristics of an object by using certain photons among a plurality of photons as a reference and using other photons for irradiation or incidence on the object (sometimes called measurement). The
ここで、本実施形態に係る上記複数の光子は、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子である。ここで、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子は、互いに時間的に同期している。なお、本実施形態に係る上記複数の光子は、より具体的には、互いに量子もつれ状態にある2つの単一光子である。Here, the multiple photons according to this embodiment are multiple single photons that are in a quantum entangled state with each other. Here, the multiple single photons that are in a quantum entangled state with each other are synchronized in time with each other. More specifically, the multiple photons according to this embodiment are two single photons that are in a quantum entangled state with each other.
従来、時間的に同期しているパルス波を用いて、対象物の特性を分析する技術が知られているが、パルス波を用いると対象物へのダメージが大きいという問題がある。また、対象物へのダメージを小さくするために連続光を用いることも考えられるが、このように連続光を用いる場合、対象物の時間的な特性を測定することが困難であるという問題があった。 Conventionally, there is known technology that uses pulse waves synchronized in time to analyze the characteristics of an object, but the use of pulse waves has the problem of causing significant damage to the object. In addition, the use of continuous light could be considered to reduce damage to the object, but when continuous light is used in this way, there is the problem that it is difficult to measure the temporal characteristics of the object.
また、従来の手法では、パルス波を発生させる装置が必要であるため、装置の構成が複雑化するという問題があった。また、対象物の時間的な特性について複数の成分が存在する場合(例えば、複数の蛍光寿命成分が存在する場合)、様々な変調周波数で測定を行う必要があり、蛍光寿命決定のための測定及び解析が煩雑であるという問題があった。In addition, conventional methods require a device to generate pulse waves, which makes the device configuration complicated. In addition, when there are multiple components in the temporal characteristics of an object (for example, when there are multiple fluorescence lifetime components), measurements must be performed at various modulation frequencies, which makes the measurement and analysis for determining the fluorescence lifetime complicated.
本実施形態に係る分析装置では、複数の光子のうち、ある光子をリファレンスとして用い、他の光子を対象物への照射又は入射用として用いることによって、対象物に関する特性を分析する。本実施形態に係る分析装置では、後述するように、互いに量子もつれ状態にある複数の光子がランダムなタイミングで発生する。このため、パルス波を用いた場合と異なり、多数の光子が同時に対象物へと照射されることがなく、その結果、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を分析することができる。In the analysis device according to this embodiment, a certain photon among multiple photons is used as a reference, and other photons are used for irradiating or being incident on the object, thereby analyzing the characteristics of the object. In the analysis device according to this embodiment, as described below, multiple photons that are in a quantum entangled state with each other are generated at random timing. Therefore, unlike the case where a pulse wave is used, a large number of photons are not irradiated onto the object at the same time, and as a result, the characteristics of the object can be analyzed while minimizing damage to the object.
また、本実施形態に係る分析装置の一構成例によれば、パルス波を用いる場合に比べて、パルス波を発生させる装置が必要ないため、装置全体の構成をシンプルにすることができるというメリットもある。その一方、対をなしている2つの光子が時間的に同期されているという性質を用いると、パルス波を用いた場合と同様に対象物の時間的な特性を直接的に計測することができ、対象物の時間的な特性について複数の成分が存在する場合(例えば、複数の蛍光寿命成分が存在する場合)にも、ただ一つの連続光の光源で計測することができる。このため、光源についての都度の強度変調が不要であるというメリットもある。 In addition, according to one example of the configuration of the analysis device according to this embodiment, compared to the case where a pulse wave is used, a device for generating a pulse wave is not required, so there is an advantage that the configuration of the entire device can be simplified. On the other hand, by using the property that the two photons in a pair are synchronized in time, it is possible to directly measure the temporal characteristics of the object as in the case where a pulse wave is used, and even when there are multiple components in the temporal characteristics of the object (for example, when there are multiple fluorescence lifetime components), it is possible to measure with only one continuous light source. Therefore, there is also the advantage that there is no need to perform intensity modulation of the light source each time.
<構成例>
以下では、図面を参照して、本実施形態に係る分析装置の構成例について説明する。図1は、本実施形態に係る分析装置1の構成例を示すブロック図である。図1に示すように、分析装置1は、一例として、光源10、第1のミラー21、第1のレンズ22、第1のバンドパスフィルタ23-1、第2のバンドパスフィルタ23-2、第2のミラー24、第3のミラー25、第2のレンズ26、第3のレンズ27、ロングパスフィルタ28、第4のレンズ29、第5のレンズ30、第1の検出部50、第2の検出部60、及び分析部70を備えて構成される。
<Configuration example>
Hereinafter, a configuration example of the analysis device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of the
光源10は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を時間的に同期して生成する。光源10は、一例として、連続光源11、光源用レンズ12、及び結晶性物質13を備えている。連続光源11は、例えば、特定の波長を有する連続光であるレーザを生成するレーザ光源であるが、これは本実施形態を限定するものではない。なお、連続光源11が生成する連続光をポンプ光と呼ぶこともある。また、光源10を生成部と呼称することもある。The
結晶性物質13は、連続光源11からの連続光の入射に応じて、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する。一例として、結晶性物質13は、互いに量子もつれ状態にある2つの光子(光子対)を生成する。また、結晶性物質13は、ランダムなタイミングで光子対を生成する。結晶性物質13の一例として非線形光学結晶を挙げることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。結晶性物質13の具体例については後述する。The
第1のミラー21は、光源10から供給される複数の光子のうち、第1の光子を第1の経路に沿って向き付けし、当該第1の光子とは異なる第2の光子を第2の経路に沿って向き付けする。第1のミラー21の具体的構成は本実施形態を限定するものではないが、第1の光子、及び第2の光子を好適に反射する構成であることが好ましい。The
第1のレンズ22は、第1の光子及び第2の光子を屈折させ、一例として、図1に示すように、第1の光子と第2の光子とが互いに平行に伝搬するように、第1の光子及び第2の光子を向き付けする。The
第1のバンドパスフィルタ23-1は、第1の光子のうち、第1の角振動数を有する光子を透過させ、当該第1の角振動数を有する光子以外を遮断する。また、第2のバンドパスフィルタ23-2は、第2の光子のうち、第2の角振動数を有する光子を透過させ、当該第2の角振動数を有する光子以外を遮断する。The first bandpass filter 23-1 transmits photons having a first angular frequency among the first photons and blocks photons other than the first angular frequency. The second bandpass filter 23-2 transmits photons having a second angular frequency among the second photons and blocks photons other than the second angular frequency.
なお、上記第1の角振動数及び第2の角振動数は、両者の和が連続光源11の角振動数に一致するという条件のもとで、光源10、対象物40、第1の検出部50、及び第2の検出部60等の特性に応じて適宜好適な値を選択すればよい。
The first and second angular frequencies may be appropriately selected according to the characteristics of the
第1の光子は、第1の経路に沿って進み、第4のレンズ29を透過したうえで、第1の検出部50によって検出され、検出信号が分析部70に供給される。The first photon travels along the first path, passes through the
一方で、第2の光子は、第2のミラー24及び第3のミラー25によって反射されたうえで、第2の経路上に配置された第2のレンズ26を透過する。そして、第2のレンズ26を透過した第2の光子は、対象物40に照射又は入射させられる。On the other hand, the second photon is reflected by the
ここで、対象物40は、第2の光子を照射又は入射させられたことに応じて、第3の光子を放出する。第3の光子は、第2の光子と同一の光子であってもよいし、第2の光子とは異なる光子であってもよく、当該事項は本実施形態を限定するものではない。また第3の光子は複数の単一光子であってもよい。Here, the object 40 emits a third photon in response to being irradiated or incident with the second photon. The third photon may be the same photon as the second photon, or may be a photon different from the second photon, and this does not limit the present embodiment. The third photon may also be a plurality of single photons.
放出された第3の光子は、第3のレンズ27及びロングパスフィルタ28を経由したうえで、第5のレンズ30を透過する。ロングパスフィルタ28は、第3の光子のうち、特定の第3の角振動数以下の角振動数を有する光子を透過させ、それ以外の光子を遮断する。第5のレンズ30を透過した第3の光子は、第2の検出部60によって検出され、検出信号が分析部70に供給される。The emitted third photons pass through the
なお、第1の検出部50及び第2の検出部60としては、一例として単一光子検出器を用いることができる。より具体的には、1光子適用型のアバランシェフォトダイオードを用いることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。As an example, a single-photon detector can be used as the
以上のように構成された分析装置1では、第1の光子は、対象物40に照射又は入射させられることなく、第1の検出部50に到達し検出される。一方で、第2の光子は、対象物40に照射又は入射され、それに応じて得られる第3の光子が、第2の検出部60に到達し検出される。In the
一般に、対象物40に第2の光子が照射又は入射した後に、第3の光子が得られるまでには0でない応答時間を要する。このため、図1に示すように、第3の光子が第2の検出部60によって検出されるタイミングは、第1の光子が第1の検出部50によって検出されるタイミングよりも遅延する。分析部70は、この遅延時間を特定し参照することによって、対象物40に関する特性を分析する。換言すれば、分析装置1は、第1の光子の検出タイミングを、対象物40の特性の分析のリファレンスとして用いる。In general, after the second photon is irradiated or incident on the object 40, a non-zero response time is required before the third photon is obtained. Therefore, as shown in FIG. 1, the timing at which the third photon is detected by the
(分析部)
続いて図2を参照して分析部70の構成例について説明する。分析部70は、上述のように、第1の検出部50による第1の光子の検出タイミングと、第2の検出部60による第3の光子の検出タイミングとの差を参照して、対象物40に関する特性を分析する構成である。
(Analysis Department)
Next, a configuration example of the
図2に示すように、分析部70は、第1の取得部71、第2の取得部72、第1の変換部73、第2の変換部74、及び演算部75を備えて構成される。As shown in FIG. 2, the
第1の取得部71は、第1の検出部50による検出信号を取得し、信号処理を行ったうえで第1の変換部73に供給する。第1の変換部73は、一例として、第1の検出部50による検出信号を増幅し、増幅後の信号を第1の変換部73に供給する。The
第2の取得部72は、第1の変換部73と同様の構成であるが、取得する検出信号が第1の検出部50による検出信号である点が異なる。The
第1の変換部73は、第1の取得部71から供給される信号を変換し、変換後の信号を演算部75に供給する。第1の変換部73は、一例として、第1の取得部71から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を演算部75に供給する。The
第2の変換部74は、第1の変換部73と同様の構成であるが、取得する信号が第2の取得部72から供給される信号である点が異なる。The
演算部75は、第1の検出部50による第1の光子の検出タイミングと、第2の検出部60による第3の光子の検出タイミングとの差を参照して、対象物40に関する特性を分析する。図1に示すように、演算部75は、第1の検出部50による第1の光子の検出タイミングと、第2の検出部60による第3の光子の検出タイミングとの時間差を特定する時間差特定部751を備えている。The
以上のように構成された分析装置1によれば、互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第1の光子は対象物40を経由せずに検出され、第2の光子が対象物40に照射又は入射することによって得られる第3の光子は、一例として対象物に応じた遅延時間を有して検出される。そして、分析装置1は、第1の光子の検出タイミングと、第3の光子の検出タイミングとの差を参照して対象物40に関する特性を分析するので、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を好適に分析することができる。
According to the
<互いに量子もつれ状態にある光子の生成について>
以下では、本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」についてより詳細に説明する。なお、以下の説明は、例示的に、非線形光学結晶である結晶性物質13中の自発的パラメトリック下方変換によって生成された複数の光子を例に挙げ説明するが、これはあくまで説明のためである。本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、非線形光学結晶である結晶性物質13を用いて生成されたものに限られるものではなく、後述するように様々な生成な方法によって生成されたものでもよい。
<Generating entangled photons>
The "multiple photons in a quantum entangled state with each other" in this embodiment will be described in more detail below. Note that the following description will be illustratively given of multiple photons generated by spontaneous parametric down-conversion in the
図3は、結晶性物質13による光子対の生成例について説明するための模式図である。上述したように、連続光源11から結晶性物質13に対してポンプ光が供給され、当該ポンプ光の一部が、結晶性物質13内における自発的パラメトリック下方変換(SPDC: Spontaneous Parametric Down-Conversion)によって、時間的に同期した2つの単一光子(一方をシグナル光とも呼び、もう一方をアイドラー光とも呼ぶこともある)に変換される。図3では、2つの光子の偏光が互いに異なるタイプIIのSPDCを例示している。
Figure 3 is a schematic diagram for explaining an example of photon pair generation by
ここで、ポンプ光の(角振動数、波数ベクトル)を(ωP、kp)と表記し、生成される2つの光子の(角振動数、波数ベクトル)をそれぞれ、(ω1、k1)(ω2、k2)と表記すると、
ωP = ω1 + ω2 ・・・(式1)
kp = k1 + k2 ・・・(式2)
が満たされる。式1はエネルギー保存則を表しており、式2は運動量保存則を表している。なお、本明細書では、角振動数のことを単に周波数と呼ぶこともある。
Here, if the (angular frequency, wave vector) of the pump light is denoted as (ω P , k p ), and the (angular frequency, wave vector) of the two generated photons are denoted as (ω 1 , k 1 ) and (ω 2 , k 2 ), respectively, then
ω P = ω 1 + ω 2 ... (Formula 1)
k p = k 1 + k 2 ... (Formula 2)
is satisfied.
図3に示すように、SPDCによって生成された2つの光子は、ポンプ光に対して対称的に位置する2つの円錐上の経路であって、ポンプ光に対して対称的な経路に沿って伝搬する。As shown in Figure 3, the two photons generated by SPDC propagate along paths on two cones that are symmetrically positioned with respect to the pump light, and paths that are symmetrical with respect to the pump light.
図3には、互いに量子もつれ状態にある複数の光子の一例として、光子対Aを示し、他の例として光子対Bを示している。図3に示すタイプIIのSPDCの場合、互いに異なる円錐上を経路とする光子A1、及び光子A2を含む光子対Aの状態は、一例として、
|Ψ> = |V>1|H>2 ・・・(式3)
又は、
|Ψ> = |H>1|V>2 ・・・(式4)
のように表される。ここで、V,Hは、それぞれ、垂直偏光及び水平偏光を表しており、ケット|>の下付き添え字1、2は、2つの光子を区別するためのインデックスである。式3及び式4に示すように、光子対Aに含まれる光子A1及び光子A2は、偏光状態に関して、互いにもつれていない。
3 shows a photon pair A as an example of a plurality of photons in a quantum entangled state with each other, and a photon pair B as another example. In the case of the type II SPDC shown in FIG. 3, the state of the photon pair A including the photon A1 and the photon A2 that take paths on different cones is, for example, as follows:
|Ψ> = |V> 1 |H> 2 ... (Formula 3)
Or,
|Ψ> = |H> 1 |V> 2 ... (Formula 4)
Here, V and H represent vertical and horizontal polarization, respectively, and the
一方で、タイプIIのSPDCの場合、2つの円錐の交線を経路とする光子B1、及び光子B2を含む光子対Bの状態は、一例として、
|Ψ> = (1/√2)|V>1|H>2 + (1/√2)|H>1|V>2・・・(式5)
のように表される。このように、光子対Bに含まれる光子B1及び光子B2は、偏光状態に関して、互いにもつれた状態にある。
On the other hand, in the case of Type II SPDC, the state of photon pair B including photon B1 and photon B2 along the intersection line of the two cones is, for example,
|Ψ> = (1/√2)|V> 1 |H> 2 + (1/√2)|H> 1 |V> 2 ... (Formula 5)
In this way, the photon B1 and the photon B2 included in the photon pair B are entangled with each other in terms of the polarization state.
本実施形態において用いられる、互いに量子もつれ状態にある複数の光子として、上述した光子対Aに含まれる光子A1及び光子A2を用いてもよいし、光子対Bに含まれる光子B1及び光子B2を用いてもよい。換言すれば、本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、時間的に同期していれば、互いに偏光もつれの関係にあってもよいし、そうでなくてもよい。
図4は、結晶性物質13による光子対の他の生成例について説明するための模式図である。図4では、2つの光子の偏光が互いに等しいタイプIのSPDCを例示している。本例でも、ポンプ光の(角振動数、波数ベクトル)を(ωP、kp)と表記し、生成される2つの光子の(角振動数、波数ベクトル)をそれぞれ、(ω1、k1)(ω2、k2)と表記すると、図3の場合と同様に、上述した式1及び式2が満たされる。
図4に示すように、SPDCによって生成された2つの光子は、ポンプ光を軸とする1つの円錐上の経路であって、ポンプ光に対して対称的な経路に沿って伝搬する。
図4には、互いに量子もつれ状態にある複数の光子の一例として、光子対Cを示している。図4に示すタイプIのSPDCの場合、円錐上を経路とする光子C1、及び光子C2を含む光子対Cの状態は、一例として、
|Ψ> = |V>1|V>2 ・・・(式3’)
又は、
|Ψ> = |H>1|H>2 ・・・(式4’)
のように表される。ここで、式3’及び式4’に示すように、光子対Cに含まれる光子C1及び光子C2は、偏光状態に関しては、互いにもつれていない。
本実施形態において用いられる、互いに量子もつれ状態にある複数の光子として、上述した光子対Cに含まれる光子C1及び光子C2を用いてもよい。
As the multiple photons in a quantum entangled state used in this embodiment, the photon A1 and photon A2 included in the above-mentioned photon pair A may be used, or the photon B1 and photon B2 included in the photon pair B may be used. In other words, the "multiple photons in a quantum entangled state with each other" in this embodiment may or may not be in a polarization entangled relationship with each other as long as they are synchronized in time.
Fig. 4 is a schematic diagram for explaining another example of generation of photon pairs by the
As shown in FIG. 4, the two photons generated by SPDC propagate along paths on a cone whose axis is the pump light and that are symmetrical with respect to the pump light.
4 shows a photon pair C as an example of a plurality of photons in a quantum entangled state. In the case of the type I SPDC shown in FIG. 4, the state of the photon pair C including the photon C1 and the photon C2 on the path on the cone is, for example, as follows:
|Ψ> = |V> 1 |V> 2 ... (Formula 3')
Or,
|Ψ> = |H> 1 |H> 2 ... (Formula 4')
Here, as shown in Equations 3' and 4', the photon C1 and the photon C2 included in the photon pair C are not entangled with each other in terms of the polarization state.
As the multiple photons in a quantum entangled state used in this embodiment, the photon C1 and the photon C2 included in the photon pair C described above may be used.
以下では、周波数ωp の光をポンプ光として用いたSPDCにより、周波数がω1 、ω2 の2つの光子を含む2光子状態|Ψ>が生成される状況を、より詳細に説明することにより、本明細書における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」についてより詳細に説明する。 In the following, we will explain in more detail the situation in which a two-photon state |Ψ> containing two photons with frequencies ω 1 and ω 2 is generated by SPDC using light with frequency ω p as pump light, thereby providing a more detailed explanation of the term "multiple photons in a quantum entangled state with each other" in this specification.
まず、2つの光子を生成する生成演算子を、それぞれ、
式9から分かるように、2光子状態|Ψ>は、周波数ω1を有する1光子状態と周波数ω2を有する1光子状態との積によって表すことはできない。このような状態を、本明細書では、「周波数(角振動数)に関して互いにもつれている」と表現する。 As can be seen from Equation 9, the two-photon state |Ψ> cannot be expressed as a product of a one-photon state having frequency ω 1 and a one-photon state having frequency ω 2. In this specification, such states are said to be “entangled with each other in frequency (angular frequency).”
上記の説明は周波数領域での表記であるが、以下では2つの光子間の時間的な相関について調べるために、時間領域での表記に書き直す。まず、フーリエ変換
より具体的に表現するため、一方の光子が経路a、もう片方の光子が経路b に存在するとする。時刻tに光子1つが経路aに存在する状態を、|1>a(t)のように表記することにすると、式14は次のように書き直すことができる。
を得る。式15及び式16から分かるように、2光子状態|Ψ>は、2つの光子の状態の積として表記することはできない。このような状態を、本明細書では、「時間に関して互いにもつれている」と表現する。
To be more specific, suppose one photon exists on path a and the other photon exists on path b. If we express the state in which one photon exists on path a at time t as |1> a (t), then equation 14 can be rewritten as follows:
As can be seen from
以上説明したように、本実施形態において用いられる「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、一例として、周波数(角振動数)又は時間に関して互いにもつれている複数の光子のことである。As described above, the "multiple photons in a quantum entangled state" used in this embodiment refers, as an example, to multiple photons that are entangled with each other in terms of frequency (angular frequency) or time.
<結晶性物質について>
本実施形態に係る結晶性物質13についてより具体的に説明すれば以下の通りである。上述したように、光源10は結晶性物質13を備える構成に限定されるものではないが、光源10は結晶性物質13を備える構成とすることによって、分析装置1の構成をよりシンプルにすることができるというメリットがある。
<Crystalline substances>
The
結晶性物質13は、一例として、入射光に対して結晶が非線形的に応答し、かつ複屈折が存在する非線形光学結晶である。ただし、これは本実施形態を限定するものではない。As an example, the
結晶性物質13の具体例として、BBO(β-BaB2O4)、KDP(KH2PO4)、ppKTP(Periodically Polled KTiOPO4)、ppLN(Periodically Polled LiNbO3)などを挙げることができる。ただし、これらの具体例は、本実施形態を限定するものではない。
Specific examples of the
また、非線形光学結晶を用いたSPDCには、上述したように、互いに偏光方向が同じ2つの光子を生成するタイプIと、互いに偏光方向が異なる2つの光子を生成するタイプIIとが存在する。本実施形態では、タイプI及びタイプIIのSPDCを用いてもよい。例えば、BBOを用いてタイプIIのSPDCにより光子対を生成してもよいし、BBOを用いてタイプIのSPDCにより光子対を生成してもよい。As described above, there are two types of SPDC using nonlinear optical crystals: Type I, which generates two photons with the same polarization direction, and Type II, which generates two photons with different polarization directions. In this embodiment, Type I and Type II SPDC may be used. For example, photon pairs may be generated by Type II SPDC using BBO, or photon pairs may be generated by Type I SPDC using BBO.
なお、結晶性物質13による光子対の発生頻度は本実施形態を限定するものではないが、ポンプ光の強度を調整することにより、一例として1秒あたり数回~数百万回程度とすることができる。Although the frequency of photon pair generation by the
また、結晶性物質13の他の例として、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)結晶内の自発分極を、異なる2つの周期で反転させて得られる物質を用いてもよい。このように構成された物質において、2つの異なる位相整合条件を制御することによって、それぞれの領域で発生しうる光子のペアがもつ偏光と周波数が互い違いに相関している量子もつれ状態を直接発生させることができる。
Another example of the
このようにして生成された光子対も、本実施形態に係る「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」として用いることができる。 The photon pairs generated in this manner can also be used as the "multiple photons in a quantum entangled state with each other" in this embodiment.
<その他の光源構成例>
光源10の構成例は、上述の例に限定されるものではない。例えば、光源10は、結晶性物質13を備える代わりに、マッハ・ツェンダー干渉計、マイケルソン型干渉計、及び、サニャック型干渉計の何れかを備え、これらの干渉計の何れかによって、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する構成としてもよい。
<Other light source configuration examples>
The configuration of the
<第2の光子及び第3の光子について>
上述したように、本実施形態に係る第3の光子は、第2の光子が対象物40に照射又は入射することによって得られる。第2の光子及び第3の光子は、対象物40や分析装置1の適用の仕方によって、互いに同じ光子であるとの解釈がより好適な場合もあるし、互いに異なる光子であるとの解釈がより好適な場合もある。
<Regarding the second and third photons>
As described above, the third photon according to the present embodiment is obtained by irradiating or making the second photon incident on the object 40. Depending on the object 40 and the manner in which the
例えば、対象物40の一例として、発光性(蛍光性、燐光性)の物質を用いた場合、対象物40に第2の光子が吸収されることにより対象物40が励起状態に遷移する。そして、当該励起状態から、よりエネルギーの低い状態への遷移に伴い、第3の光子が放出される。このような例では、第3の光子は、第2の光子とは異なる光子であるとの解釈が好適である。For example, if a luminescent (fluorescent, phosphorescent) substance is used as an example of the object 40, the object 40 transitions to an excited state when the second photon is absorbed by the object 40. Then, with the transition from the excited state to a state of lower energy, a third photon is emitted. In such an example, it is appropriate to interpret the third photon as a different photon from the second photon.
他の例として、第2の光子が、ミラーで反射されたり対象物40としてのファイバー中を伝播する場合を考えると、これらの過程で第2の光子は、反射されたり透過するだけであるので、第2の光子と第3の光子は同じ光子であるとの解釈が好適に成り立つ。As another example, if we consider the case where the second photon is reflected by a mirror or propagates through a fiber as the object 40, during these processes the second photon is simply reflected or transmitted, and therefore it is convenient to interpret the second photon and the third photon as being the same photon.
その一方で、第3の光子は第2の光子とは進行方向が異なっており、ファイバー中を伝播中に光子の波束の時間幅が広くなる可能性もある。このように、第2の光子と第3の光子の物理的な性質は一般に、完全に同一ではない。したがって、そのような意味で、第2の光子と第3の光子は互いに異なる光子であるとの解釈も成り立つ。On the other hand, the third photon travels in a different direction than the second photon, and the time width of the photon wave packet may become wider as it propagates through the fiber. Thus, the physical properties of the second and third photons are generally not completely identical. Therefore, in that sense, it is also valid to interpret the second and third photons as different photons.
本実施形態に記載の発明を特定するにあたり、第2の光子と第3の光子とが同一であるのか異なるものであるのかは、対象物40や分析装置1の適用の仕方に応じてどのように解釈するのかという解釈論を含む事項であり、本質的ではない。In identifying the invention described in this embodiment, whether the second photon and the third photon are the same or different is a matter that involves interpretation depending on how the object 40 and the
<分析装置1による処理の流れ>
続いて、図5を参照して、本実施形態に係る分析装置1による処理の流れについて説明する。図5は、分析装置1による処理の流れを示すフローチャートである。
<Processing flow by the
Next, the flow of processing by the
(ステップS11)
まず、ステップS11において、光源10は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する。ここで、光源10による光子の生成については、すでに説明した方法を用いればよい。
(Step S11)
First, in step S11, the
(ステップS12)
続いて、ステップS12において、第1の検出部50は、ステップS11において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第1の経路を伝搬した第1の光子を検出する。
(Step S12)
Subsequently, in step S12, the
(ステップS13)
続いて、ステップS13において、第2の検出部60は、ステップS11において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第2の光子を対象物40に照射又は入射させることによって得られる第3の光子を検出する。
(Step S13)
Next, in step S13, the
(ステップS14)
ステップS14において、分析部70は、ステップS12における第1の検出部50による検出タイミングと、ステップS13における第2の検出部60による検出タイミングとの差を参照して、対象物40に関する特性を分析する。
(Step S14)
In step S14, the
以上のステップを含む分析方法によれば、互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第1の光子は対象物40を経由せずに検出され、第2の光子が対象物40に照射又は入射することによって得られる第3の光子は、一例として対象物に応じた遅延時間を有して検出される。そして、分析装置1は、第1の光子の検出タイミングと、第3の光子の検出タイミングとの差を参照して対象物40に関する特性を分析するので、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を好適に分析することができる。According to the analysis method including the above steps, of the multiple photons in a quantum entangled state with each other, the first photon is detected without passing through the object 40, and the third photon obtained by irradiating or being incident on the object 40 with the second photon is detected, for example, with a delay time according to the object. The
なお、上記の説明では、ステップS12において第1の光子が検出された後に、ステップS13において第2の光子が検出される場合を例に挙げたが、これは本実施形態を限定するものではない。第1経路、及び第2の経路の構成の仕方によっては、ステップS12において第1の光子が検出される前に、ステップS13において第2の光子が検出される場合もあり得る。このような例も本実施形態に含まれる。In the above description, an example is given in which a first photon is detected in step S12 and then a second photon is detected in step S13, but this does not limit the present embodiment. Depending on how the first and second paths are configured, it may be the case that a second photon is detected in step S13 before a first photon is detected in step S12. Such an example is also included in the present embodiment.
また、何れの場合であっても、第1の光子及び第2の光子のうち、一方の光子が先に検出されることによって、もう一方の光子の波束の収縮が発生し得る。In either case, if one of the first and second photons is detected first, this can cause the wave packet of the other photon to contract.
(本明細書に記載の発明の学際的側面)
本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、上述のように、一例として、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を発生させ、発生させた光子を分光学(一例として分子分光学)に利用している。ここで、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトの利用は、従来量子光学という範疇の中での利用に留まっており、分光学に適用されることはなかった。本願の発明者は、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトを、分光学に適用するという新たな知見を得たことによって初めて本明細書に記載の発明に想到することができたものである。このように、本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、当業者であっても容易には結び付けることのできない2つの分野を融合させたという高度な学際的側面を有する。
Interdisciplinary Aspects of the Invention Described Herein
As described above, the analytical method and analytical device described in this specification generate a plurality of photons in a quantum entangled state, and use the generated photons in spectroscopy (molecular spectroscopy as an example). Here, the use of a quantum optical object, namely, a plurality of photons in a quantum entangled state, has been limited to use within the category of quantum optics in the past and has not been applied to spectroscopy. The inventor of the present application was only able to conceive of the invention described in this specification by obtaining a new finding that a quantum optical object, namely, a plurality of photons in a quantum entangled state, is applied to spectroscopy. In this way, the analytical method and analytical device described in this specification have a highly interdisciplinary aspect in that they combine two fields that even a person skilled in the art cannot easily connect.
〔実施形態2〕
以下では、本発明の第2の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
A second embodiment of the present invention will be described below. The same reference numerals are used to designate the components already described in the above embodiment, and the description thereof will be omitted.
図6は本実施形態に係る発光分析装置100の構成を示すブロック図である。図6に示すように、発光分析装置100は、分析装置1aを備えている。分析装置1aは、実施形態1において説明した分析装置1が備える演算部75に代えて、演算部75aを備えている。分析装置1aのその他の構成は、実施形態1に係る分析装置1と同様である。
Figure 6 is a block diagram showing the configuration of the emission analysis device 100 according to this embodiment. As shown in Figure 6, the emission analysis device 100 includes an
発光分析装置100は、発光性を有する対象物40の特性を分析する装置である。ここで、発光には、蛍光及び燐光(蓄光)が含まれる。発光分析装置100は、一例として対象物40の発光寿命(例えば、蛍光寿命、燐光寿命)を特定する。The emission analysis device 100 is a device that analyzes the characteristics of an object 40 that has luminescence. Here, luminescence includes fluorescence and phosphorescence (phosphorescence). As an example, the emission analysis device 100 determines the luminescence lifetime (e.g., fluorescence lifetime, phosphorescence lifetime) of the object 40.
図7は分析装置1aが備える演算部75aの構成を示すブロック図である。図7に示すように、演算部75aは、時間差特定部751、及び発光寿命特定部752を備えている。発光寿命特定部752は、時間差特定部751が特定した第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングとを参照し、対象物40の発光寿命を特定する。
Figure 7 is a block diagram showing the configuration of the
実施形態1において説明した図5との関連で言えば、本実施形態では、図5のステップS13において、対象物40の発光現象に伴う光子を第3の光子として検出する。
In relation to Figure 5 described in
図8は、比較用として第2の経路上に対象物40を配置しない状況において、発光分析装置100において検出された第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングとの差をプロットした実験結果である。 Figure 8 shows experimental results in which the difference between the detection timing of the first photon and the detection timing of the third photon detected by the emission analysis device 100 is plotted in a situation in which the object 40 is not placed on the second path for comparison.
図8に示すように、第2の経路上に対象物40を配置しない状況において、第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングの差(検出誤差)は、0.23ns程度に抑えられており、2つの光子の高い同時性が実現していることが分かる。なお、図7に示した検出誤差は、主として第1の検出部50及び第2の検出部60の時間分解能に起因しており、光源10では、図8に示した同時性よりも高い同時性が実現されている。As shown in Fig. 8, in a situation where the object 40 is not placed on the second path, the difference (detection error) between the detection timing of the first photon and the detection timing of the third photon is suppressed to about 0.23 ns, and it can be seen that high simultaneity of the two photons is achieved. Note that the detection error shown in Fig. 7 is mainly due to the time resolution of the
図9は、対象物40として、蛍光分子である色素分子(Rhodamine 6G)を用いた場合に、発光寿命特定部752が特定する蛍光減衰曲線を示している。図9に示す蛍光減衰曲線は、光子対毎に時間差特定部751が特定した時間差を、発光寿命特定部752が多数の光子対に対してプロットして得られたグラフである。図9に示す例では、発光寿命特定部752は、対象物40の蛍光寿命が4.8nsであると特定する。
Figure 9 shows a fluorescence decay curve determined by the luminescence
本実施形態に係る発光分析装置100によれば、対象物40へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物40の発光現象に関する特性を好適に分析することができる。 The emission analysis device 100 of this embodiment can optimally analyze the characteristics related to the emission phenomenon of the object 40 while minimizing damage to the object 40.
なお、上述の例では、対象物40として、分子を例に挙げたが、これは本実施形態を限定するものではなく、対象物40は、原子、分子、固体、及び結晶の少なくとも何れかを含み得る。In the above example, a molecule is used as the object 40, but this does not limit the present embodiment, and the object 40 may include at least one of an atom, a molecule, a solid, and a crystal.
このような対象物に対しても、発光分析装置100によれば、対象物40へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物40の発光現象に関する特性を好適に分析することができる。Even for such objects, the emission analysis device 100 can optimally analyze the characteristics related to the luminescence phenomenon of the object 40 while minimizing damage to the object 40.
〔実施形態3〕
以下では、本発明の第3の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
A third embodiment of the present invention will be described below. The same reference numerals are used to designate the same components as those described in the above embodiments, and the description thereof will be omitted.
図10は、拡散光トモグラフィー装置200の構成例を示したものである。図10に示すように、拡散光トモグラフィー装置200は、分析装置1bを備えている。分析装置1bは、実施形態1において説明した分析装置1が備える演算部75に代えて、演算部75bを備えている。分析装置1bのその他の構成は、実施形態1に係る分析装置1と同様である。
Figure 10 shows an example configuration of a diffuse
拡散光トモグラフィー装置200は、透過性を有する対象物40の断層画像を生成する装置である。本実施形態において対象物40は、透過性を有する物質であるが、対象物40は可視光を透過する物質に限られるものではなく、遠紫外線及び遠赤外線領域を透過する物質も、対象物40に含まれる。The diffuse
本実施形態では、第2の光子を対象物に入射させ、第1の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第3の光子は、第2の光子が対象物中で繰り返し散乱した結果得られた光子である。第3の光子は、対象物中で繰り返しの散乱過程を経た光子であるとも言える。In this embodiment, the second photon is incident on the object, and the first photon is used as a reference. The third photon in this embodiment is a photon obtained as a result of the second photon being repeatedly scattered in the object. It can also be said that the third photon is a photon that has undergone a repeated scattering process in the object.
図11は、拡散光トモグラフィー装置200の分析装置1bが備える演算部75bの構成を示したものである。演算部75bは、時間差特定部751及びトモグラフィー分析部753を備えている。トモグラフィー分析部753は、時間差特定部751が特定した第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングとを参照し、光子が対象物40中でどのように散乱されたかに関する情報を取得する。そして、トモグラフィー分析部753は、取得した情報を解析することにより、対象物40中の物質の空間分布を特定する。そして、一例として、特定した空間分布を示す対象物の断層画像を生成する。
Figure 11 shows the configuration of the calculation unit 75b provided in the analysis device 1b of the diffuse
実施形態1において説明した図5との関連で言えば、本実施形態では、図5のステップS13において、対象物40の透過現象に伴う光子を第3の光子として検出する。
In relation to Figure 5 described in
拡散光トモグラフィー装置200は、対象物へのダメージを押さえつつ、好適に拡散光トモグラフィーを実行することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、拡散光トモグラフィー装置の構成がシンプルになるというメリットもある。The diffuse
〔実施形態4〕
以下では、本発明の第4の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
A fourth embodiment of the present invention will be described below. The same reference numerals are used to designate the components already described in the above embodiments, and the description thereof will be omitted.
図12は、撮像装置300の構成例を示したものである。図12に示すように、撮像装置300は、分析装置1cを備えている。分析装置1cは、実施形態1において説明した分析装置1が備える演算部75に代えて、演算部75cを備えている。分析装置1cのその他の構成は、実施形態1に係る分析装置1と同様である。
Figure 12 shows an example of the configuration of the
撮像装置300は、反射性を有する対象物40を含む撮像範囲の撮像情報を生成する装置である。The
本実施形態では、第2の光子を対象物に向かって出射し、第1の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第3の光子は、第2の光子が対象物によって反射されることによって得られた光子である。In this embodiment, the second photon is emitted toward the object, and the first photon is used as a reference. The third photon in this embodiment is a photon obtained by reflecting the second photon by the object.
図13は、撮像装置300の分析装置1cが備える演算部75cの構成を示したものである。演算部75cは、時間差特定部751及び画像生成部754を備えている。画像生成部754は、時間差特定部751が特定した第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングとを参照し、対象物40の特性として、当該対象物40までの距離を特定する。そして、特性した距離に基づき、対象物40を含む撮像範囲の撮像情報であって、対象物40までの距離情報を含む撮像情報を生成する。
Figure 13 shows the configuration of the
実施形態1において説明した図5との関連で言えば、本実施形態では、図5のステップS13において、対象物40の反射現象に伴う光子を第3の光子として検出する。
In relation to Figure 5 described in
従来、Lidar(Light Imaging Detection and Ranging)と呼ばれる技術では、パルス光を用いてレーザー照射に対する散乱光を測定し、対象までの距離、対象の性質などを分析していたが、本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を用いて、距離情報を含む撮像情報を生成するので、対象物へのダメージを低減しつつ、対象までの距離、対象の性質などを分析することができる。Conventionally, a technology called Lidar (Light Imaging Detection and Ranging) has used pulsed light to measure scattered light in response to laser irradiation and analyze the distance to a target, the properties of the target, etc. However, in this embodiment, multiple single photons that are in a quantum entangled state with each other are used to generate imaging information that includes distance information, so that the distance to a target, the properties of the target, etc. can be analyzed while reducing damage to the target.
なお、画像生成部754が生成する撮像情報は、一例として、距離情報と2次元の撮像画像とすることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。画像生成部754は、距離情報と2次元の撮像画像とを参照して、立体視用の左目用画像及び右目用画像を生成する構成としてもよい。Note that the imaging information generated by the
本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を用いて、立体視用の画像を生成するので、対象物へのダメージを低減しつつ、好適に立体視用の画像を生成することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、撮像装置の構成がシンプルになるというメリットもある。In this embodiment, a stereoscopic image is generated using multiple single photons that are in a quantum entangled state with each other, so that a stereoscopic image can be generated suitably while reducing damage to the object. In addition, there is also the advantage that the configuration of the imaging device is simplified because there is no need for a device that generates pulsed light as in conventional technology.
〔実施形態5〕
以下では、本発明の第5の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
[Embodiment 5]
A fifth embodiment of the present invention will be described below. The same reference numerals are used to designate the same components as those described in the above embodiments, and the description thereof will be omitted.
図14は、反射率測定装置400の構成例を示したものである。図14に示すように、反射率測定装置400は、分析装置1dを備えている。分析装置1dは、実施形態1において説明した分析装置1が備える演算部75に代えて、演算部75dを備えている。分析装置1dのその他の構成は、実施形態1に係る分析装置1と同様である。
Figure 14 shows an example of the configuration of a
反射率測定装置400は、反射性を有する対象物40の特性を分析する装置である。
ここで、対象物40は、一例として光ファイバーである。
The
Here, the object 40 is, for example, an optical fiber.
本実施形態では、第2の光子を対象物に入射させ、第1の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第3の光子は、第2の光子が対象物を透過又は反射することによって得られた光子である。第3の光子には、第2の光子が対象物に入射することによって得られた後方散乱光も含まれ得る。In this embodiment, the second photon is incident on the object, and the first photon is used as a reference. The third photon in this embodiment is a photon obtained by the second photon passing through or reflecting the object. The third photon may also include backscattered light obtained by the second photon being incident on the object.
図15は、反射率測定装置400の分析装置1dが備える演算部75dの構成を示したものである。演算部75dは、時間差特定部751及び反射率測定部755を備えている。反射率測定部755は、時間差特定部751が特定した第1の光子の検出タイミングと第3の光子の検出タイミングとを参照し、対象物40の反射性を検出する。
Figure 15 shows the configuration of the calculation unit 75d provided in the analysis device 1d of the
実施形態1において説明した図5との関連で言えば、本実施形態では、図5のステップS13において、対象物40の反射現象に伴う光子を第3の光子として検出する。
In relation to Figure 5 described in
従来、OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)と呼ばれる技術では、パルス光を用いて、後方散乱光などにより光ファイバーを品質管理していたが、本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を用いて、品質管理するので、対象物へのダメージを、パルス光を用いるよりも、低減することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、反射率測定装置の構成がシンプルになるというメリットもある。Conventionally, a technology called OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) has used pulsed light to perform quality control of optical fibers using backscattered light, but in this embodiment, multiple photons that are in a quantum entangled state with each other are used for quality control, so damage to the target object can be reduced more than when pulsed light is used. In addition, since there is no need for a device that generates pulsed light as in conventional technology, there is also the advantage that the configuration of the reflectance measurement device is simplified.
<他の適用例>
本明細書において上述した分析装置の適用例は、上記の例に限られるものではない。一例として、上述した分析装置をポンプ-プローブ法に適用してもよい。より具体的には、第1の光子を用いて対象物40を励起させ、第2の光子をプローブ光として用いて対象物を観測する構成としてもよい。
<Other application examples>
The application examples of the analysis device described above in this specification are not limited to the above examples. As an example, the analysis device described above may be applied to a pump-probe method. More specifically, a configuration may be adopted in which a first photon is used to excite an object 40, and a second photon is used as a probe light to observe the object.
連続光を光源としてポンプ‐プローブ測定を行うことは、従来不可能であったが、上述した分析装置を用いれば、連続光を、もつれ状態にある光子対に変換することにより、連続光を光源としたポンプ‐プローブ測定が可能になる。 It was previously impossible to perform pump-probe measurements using continuous light as a light source, but by using the analysis device described above, it is possible to perform pump-probe measurements using continuous light as a light source by converting the continuous light into photon pairs in an entangled state.
より具体的な例として、本例に係る分析装置は、第1の光子を、分子である対象物40に照射し、光化学反応を開始させる。そして、微小な遅延時間(フェムト秒、ピコ秒程度)を経た後に、第2の光子をプローブ光として当該対象物40に照射する。これにより、本例に係る分析装置は、分子吸収(赤外光、可視光、紫外光領域)やラマン散乱を測定することができる。本例に係る分析装置によれば、このようにして、化学反応が進行する様子をフェムト秒、ピコ秒程度の時間分解能で追跡することができる。 As a more specific example, the analytical device of this example irradiates a molecular object 40 with a first photon to initiate a photochemical reaction. Then, after a small delay time (on the order of femtoseconds or picoseconds), the analytical device of this example irradiates the object 40 with a second photon as a probe light. This allows the analytical device of this example to measure molecular absorption (infrared light, visible light, and ultraviolet light regions) and Raman scattering. In this way, the analytical device of this example allows the progress of a chemical reaction to be tracked with a time resolution of the order of femtoseconds or picoseconds.
また、他の例として、上述した分析装置をポンプ-ダンプ-プローブ法に適用してもよい。
ここで、ポンプ-ダンプ-プローブ法に用いる互いに量子もつれ状態にある3つの光子は、例えば、以下の方法により得ることができる。
すなわち、分析装置が2つの非線形光学結晶を備える構成とし、まず、第1の非線形光学結晶に対して連続光を入射させSPDCにより、互いに量子もつれ状態にある2つの光子(光子1、光子2と呼ぶ)を発生させる。そして、これら2つの光子のうち一方(例えば光子1)を第2の非線形光学結晶に照射し、当該第2の非線形光学結晶におけるSPDCにより2つの光子(光子3、光子4と呼ぶ)へと変換する。
このようにして得られた3つの光子(光子2、光子3、光子4)は互いに量子もつれ状態にあり、時間的に同期されている。
本例に係る分析装置は、一例として、まず、互いに量子もつれ状態にある3つの光子のうち第1の光子を、分子である対象物40に照射することにより、対象物40を励起させる。一般に、高い電子励起状態にある分子は、基底状態とは異なる平衡核間距離を有するので、核波束が運動量を付与され移動を開始する。その後、本例に係る分析装置は、上記3つの光子のうち第2の光子を対象物40に照射することによって、波束を基底状態にダンプさせる。その後、本例に係る分析装置は、上記3つの光子のうち第3の光子をプローブ光として対象物40に照射する。
本例に係る分析装置は、上記のようにポンプ-ダンプ-プローブ法を実行することによって、例えば、分子である対象物40の脱励起効率や、当該脱励起効率のダンプ光照射タイミング依存性を特定することができる。
連続光を光源としてポンプ‐ダンプ-プローブ測定を行うことは、従来不可能であったが、上述した分析装置を用いれば、もつれ状態にある3つの光子に変換することにより、連続光を光源としたポンプ‐ダンプ-プローブ測定が可能になる。
As another example, the above-described analytical device may be applied to a pump-dump-probe method.
Here, the three photons in a quantum entangled state used in the pump-dump-probe technique can be obtained, for example, by the following method.
That is, the analysis device is configured to include two nonlinear optical crystals, and first, continuous light is incident on the first nonlinear optical crystal to generate two photons (called
The three photons obtained in this way (
As an example, the analysis device according to this example first excites the object 40, which is a molecule, by irradiating the object 40 with a first photon of three photons in a quantum entangled state. Generally, a molecule in a highly electronically excited state has an equilibrium internuclear distance different from that in the ground state, so that the nuclear wave packet is given momentum and starts to move. Then, the analysis device according to this example irradiates the object 40 with a second photon of the three photons, thereby dumping the wave packet to the ground state. Then, the analysis device according to this example irradiates the object 40 with a third photon of the three photons as a probe light.
By performing the pump-dump-probe method as described above, the analytical device according to this embodiment can, for example, determine the de-excitation efficiency of the target object 40, which is a molecule, and the dependency of the de-excitation efficiency on the timing of dump light irradiation.
It was previously impossible to perform pump-dump-probe measurements using continuous light as a light source. However, by using the above-mentioned analytical device, it is possible to perform pump-dump-probe measurements using continuous light as a light source by converting the light into three photons in an entangled state.
〔ソフトウェアによる実現例〕
分析装置1の制御ブロック(特に分析部70、演算部75、75a、75b、75c、75d)は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
[Software implementation example]
The control blocks of the analysis device 1 (particularly the
後者の場合、分析装置1は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば1つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばCPU(Central Processing Unit)を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ROM(Read Only Memory)等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、当該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。In the latter case, the
〔まとめ〕
本発明の一態様に係る分析方法は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成ステップと、前記複数の光子のうち第1の光子を検出する第1の検出ステップと、前記複数の光子のうち第2の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の光子を検出する第2の検出ステップと、前記第1の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第2の検出ステップにおける検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析ステップとを含んでいる。
〔summary〕
An analysis method according to one aspect of the present invention includes a generation step of generating a plurality of photons that are in a quantum entangled state with each other, a first detection step of detecting a first photon among the plurality of photons, a second detection step of detecting a third photon obtained by irradiating or making incident a second photon among the plurality of photons on an object, and an analysis step of analyzing characteristics of the object by referring to the difference between the detection timing in the first detection step and the detection timing in the second detection step.
上記分析方法によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することができる。 The above analysis method makes it possible to analyze the characteristics of an object, including temporal characteristics, while reducing damage to the object.
上記分析方法において、前記分析ステップでは、前記第1の光子の検出タイミングを、前記対象物に関する特性の分析のレファレンスとして用いることが好ましい。In the above analysis method, it is preferable that in the analysis step, the detection timing of the first photon is used as a reference for analyzing characteristics related to the object.
上記分析方法によれば、第1の光子の検出タイミングを、前記対象物に関する特性の分析のレファレンスとして用いるので、時間的な特性を含む対象物の特性をより好適に分析することができる。According to the above analysis method, the detection timing of the first photon is used as a reference for the analysis of the characteristics of the object, thereby making it possible to more appropriately analyze the characteristics of the object, including temporal characteristics.
上記分析方法において、前記生成ステップでは、非線形光学結晶を用いて前記第1の光子及び前記第2の光子を生成することが好ましい。In the above analysis method, it is preferable that in the generation step, the first photon and the second photon are generated using a nonlinear optical crystal.
上記分析方法によれば、シンプルな構成により、対象物の特性を検出することができる。 According to the above analysis method, the characteristics of an object can be detected with a simple configuration.
上記分析方法は、前記第1の検出ステップ及び前記第2の検出ステップでは、単一光子検出器を用いて前記第1の光子及び前記第3の光子を検出することが好ましい。In the above analysis method, it is preferable that in the first detection step and the second detection step, the first photon and the third photon are detected using a single-photon detector.
上記分析方法によれば、単一光子検出器を用いて前記第1の光子及び前記第3の光子を検出するので、時間的な特性を含む対象物の特性を好適に検出することができる。 According to the above analysis method, the first photon and the third photon are detected using a single-photon detector, so that characteristics of the object, including temporal characteristics, can be suitably detected.
本発明の一態様に係る発光分析装置は、上記分析方法を実行する発光分析装置であって、前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物の発光現象に伴う光子を前記第3の光子として検出することが好ましい。 An emission analysis device according to one aspect of the present invention is a emission analysis device that performs the above-mentioned analysis method, and in the second detection step, it is preferable to detect photons associated with the emission phenomenon of the object as the third photons.
上記発光分析装置によれば、対象物の発光現象の特性を好適に分析することができる。 The above-mentioned emission analysis device makes it possible to optimally analyze the characteristics of the luminescence phenomenon of an object.
上記分析方法を実行する発光分析装置において、前記対象物は原子、分子、固体、及び結晶の少なくとも何れかを含むことが好ましい。In the emission spectrometer that performs the above analysis method, it is preferable that the object includes at least one of an atom, a molecule, a solid, and a crystal.
上記発光分析装置によれば、原子、分子、固体、及び結晶の発光現象の特性を好適に分析することができる。 The above-mentioned emission spectrometer can effectively analyze the characteristics of the emission phenomena of atoms, molecules, solids, and crystals.
本発明の一態様に係る拡散光トモグラフィー装置は、上記分析方法を実行する拡散光トモグラフィー装置であって、前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物を透過した透過光を前記第3の光子として検出することが好ましい。 A diffuse optical tomography device according to one aspect of the present invention is a diffuse optical tomography device that performs the above-mentioned analysis method, and in the second detection step, it is preferable to detect transmitted light that has passed through the object as the third photon.
上記拡散光トモグラフィー装置によれば、前記対象物を透過した透過光を前記第3の光子として検出するので、拡散光トモグラフィーを好適に実行することができる。 According to the above-mentioned diffuse optical tomography device, the transmitted light that has passed through the object is detected as the third photon, thereby enabling diffuse optical tomography to be performed effectively.
本発明の一態様に係る撮像装置は、上記分析方法を実行する撮像装置であって、前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物によって反射された反射光を前記第3の光子として検出することが好ましい。An imaging device according to one aspect of the present invention is an imaging device that performs the above-mentioned analysis method, and in the second detection step, it is preferable that the reflected light reflected by the object is detected as the third photon.
上記撮像装置によれば、対象物によって反射された反射光を前記第3の光子として検出するので、対象物の時間的な特性が反映された撮像情報を好適に生成することができる。 According to the above imaging device, the reflected light reflected by the object is detected as the third photon, so that imaging information that reflects the temporal characteristics of the object can be preferably generated.
本発明の一態様に係る反射率測定装置は、上記分析方法を実行する反射率測定装置であって、前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物である光ファイバーからの出射光を前記第3の光子として検出することが好ましい。A reflectance measuring device according to one aspect of the present invention is a reflectance measuring device that performs the above-mentioned analysis method, and in the second detection step, it is preferable to detect the emitted light from the optical fiber, which is the object, as the third photon.
上記反射率測定装置によれば、光ファイバーからの出射光を前記第3の光子として検出するので、反射率測定を好適に実行することができる。 According to the above reflectance measuring device, the light emitted from the optical fiber is detected as the third photon, so that reflectance measurement can be performed effectively.
本発明の一態様に係る分析装置は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成部と、前記複数の光子のうち第1の光子を検出する第1の検出部と、前記複数の光子のうち第2の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の光子を検出する第2の検出部と、前記第1の検出部による検出タイミングと、前記第2の検出部による検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析部とを備えている、ことが好ましい。An analysis device according to one aspect of the present invention preferably includes a generation unit that generates a plurality of photons that are in a quantum entangled state with each other, a first detection unit that detects a first photon of the plurality of photons, a second detection unit that detects a third photon obtained by irradiating or making incident a second photon of the plurality of photons on an object, and an analysis unit that analyzes characteristics of the object by referring to the difference between the detection timing by the first detection unit and the detection timing by the second detection unit.
上記分析装置によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することができる。 The above-mentioned analytical device makes it possible to analyze the characteristics of an object, including temporal characteristics, while reducing damage to the object.
本発明の一態様に係るプログラムは、上記分析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、上記分析部としてコンピュータを機能させる、ことが好ましい。上記プログラムによれば、上記方法及び装置と同様の効果を奏する。 A program according to one aspect of the present invention is a program for causing a computer to function as the above-mentioned analysis device, and preferably causes a computer to function as the above-mentioned analysis unit. The above-mentioned program provides the same effects as the above-mentioned method and device.
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1、1a、1b、1c、1d 分析装置
10 光源
11 連続光源
12 光源用レンズ
13 結晶性物質
40 対象物
50 第1の検出部
60 第2の検出部
70 分析部
75、75a、75b、75c、75d 演算部
100 発光分析装置
200 拡散光トモグラフィー装置
300 撮像装置
400 反射率測定装置
751 時間差特定部
752 発光寿命特定部
753 トモグラフィー分析部
754 画像生成部
755 反射率測定部
Claims (5)
前記複数の単一光子のうち第1の単一光子を検出する第1の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第2の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の単一光子を検出する第2の検出ステップと、
前記第1の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第2の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含む分析方法を実行する拡散光トモグラフィー装置であって、
前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物を透過した透過光を前記第3の単一光子として検出する
ことを特徴とする拡散光トモグラフィー装置。 A generating step of generating a plurality of single photons in a quantum entangled state with respect to each other;
a first detection step of detecting a first single photon among the plurality of single photons;
a second detection step of detecting a third single photon obtained by irradiating or making an object with a second single photon among the plurality of single photons;
a step of identifying a time difference between a detection timing in the first detection step and a detection timing in the second detection step, and analyzing a temporal characteristic of the object,
A diffuse optical tomography apparatus, characterized in that in the second detection step, transmitted light that has passed through the object is detected as the third single photon.
前記複数の単一光子のうち第1の単一光子を検出する第1の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第2の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の単一光子を検出する第2の検出ステップと、
前記第1の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第2の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含む分析方法を実行する後方散乱光測定装置であって、
前記第2の検出ステップにおいて、前記対象物である光ファイバーからの後方散乱光を前記第3の単一光子として検出する
ことを特徴とする後方散乱光測定装置。 A generating step of generating a plurality of single photons in a quantum entangled state with respect to each other;
a first detection step of detecting a first single photon among the plurality of single photons;
a second detection step of detecting a third single photon obtained by irradiating or making an object with a second single photon among the plurality of single photons;
a backscattered light measurement device that executes an analysis method including an analysis step of identifying a time difference between a detection timing in the first detection step and a detection timing in the second detection step, and analyzing a temporal characteristic of the object,
A backscattered light measuring device, characterized in that in the second detection step, backscattered light from an optical fiber that is the object is detected as the third single photon.
前記複数の単一光子のうち第1の単一光子を検出する第1の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第2の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の単一光子を検出する第2の検出ステップと、
前記第1の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第2の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含み、
前記第2の検出ステップに先立ち、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第4の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物を励起させる第1の入射ステップと、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第5の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物をダンプさせる第2の入射ステップと
を含んでいる分析方法。 A generating step of generating a plurality of single photons in a quantum entangled state with respect to each other;
a first detection step of detecting a first single photon among the plurality of single photons;
a second detection step of detecting a third single photon obtained by irradiating or making an object with a second single photon among the plurality of single photons;
an analysis step of identifying a time difference between a detection timing in the first detection step and a detection timing in the second detection step, and analyzing a temporal characteristic of the object;
Prior to the second detection step,
a first incidence step of irradiating or injecting a fourth single photon of the plurality of single photons in a quantum entangled state with each other onto the object, thereby exciting the object;
and a second incidence step of irradiating or injecting a fifth single photon of the plurality of single photons in a quantum entangled state with one another onto the object, thereby causing the object to be dumped.
前記複数の単一光子のうち第1の単一光子を検出する第1の検出部と、
前記複数の単一光子のうち第2の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第3の単一光子を検出する第2の検出部と、
前記第1の検出部による検出タイミングと、前記第2の検出部による検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析部と
を備え、
前記第2の単一光子の前記対象物への照射又は入射に先立ち、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第4の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物を励起させる第1の入射部と、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第5の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物をダンプさせる第2の入射部と
を有している分析装置。 A generator for generating a plurality of single photons in a quantum entangled state with each other;
a first detector configured to detect a first single photon among the plurality of single photons;
a second detection unit that detects a third single photon obtained by irradiating or making an object with a second single photon among the plurality of single photons;
an analysis unit that specifies a time difference between a detection timing by the first detection unit and a detection timing by the second detection unit and analyzes a temporal characteristic of the object;
Prior to the second single photon being irradiated or incident on the object,
a first incidence unit that excites an object by irradiating or making a fourth single photon of the plurality of single photons in a quantum entangled state with each other onto the object;
and a second incident portion that dumps the object by irradiating or making a fifth single photon of the plurality of single photons that are in a quantum entangled state with each other onto or incident on the object.
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