中国の科学者が100チャネルの単光子検出器を開発し、量子インターネット技術を推進

中国の上海微システムおよび情報技術研究所（SIMIT）が100チャネルを備えた単光子検出器を開発し、中国のブロードバンド量子ネットワークの発展に道を開いた。この検出器を使用してテストしたプロトタイプネットワークは、その通信保真度が90％を超えることを示した。量子計算とセンシング技術の進展に伴い、将来的に量子情報ネットワークへの需要はますます高まるだろう。現在、さまざまなネットワークソリューションがテストされているが、既存の光ファイバーネットワークに類似したソリューションは、その転換の容易さからより大きな可能性を秘めている。単光子検出器（SPD）は、このようなネットワークの重要なコンポーネントであり、光子または個々の光粒子を測定することができ、量子情報の保存に利用される。

SPDsは、光ファイバーまたは宇宙リンクを展開して量子データを伝送するのを助けるだけでなく、量子もつれや瞬時転送にも寄与し、量子状態を光子に伝達する。

SPDsの課題と需要

SPDsを使用する際の課題は、量子技術の発展と拡張を可能にするために、より高容量のSPDsを開発する必要があることだ。現在、量子研究で使用されているSPDsには主に2種類がある。超伝導ナノワイヤ単光子検出器（SNSPDs）は、高精度な光電デバイスであり、非常に高い検出精度を持つが、超低温での操作が必要である。一方、単光子アバランシェダイオード（SPADs）は室温で動作できるが、精度が低いため、SNSPDsの方が好まれる。しかし、SNSPDsの超低温要求は他の課題も引き起こす。

読み取りプロセス中、SNSPDsは室温に保たれた機器に接続する必要がある。これは通常、比較的厚く熱導体金属製の同軸ケーブルを介して実現されるが、これらのケーブルは室温の熱量をSNSPDの低温チャンバーに導入し、これが熱負荷と呼ばれる。SNSPD内部の検出チャネル数が増えるにつれて、必要な読み取りケーブルの数も増加し、熱負荷が増大する。

新材料の応用と効果

この問題を克服するために、SIMITの研究者はSNSPDを全面的に再設計し、同軸ケーブルを高密度マルチコアマイクロストリップラインと呼ばれる特殊な柔軟材料に置き換えた。これらのマイクロストリップラインは超薄型であり、優れた熱絶縁性を持つため、低温チャンバーに戻る熱量は非常に限られている。SIMITチームによると、システムに入る熱量は従来のケーブルの21分の1に過ぎない。このため、SNSPDの体積を大幅に増加させることなく、より多くの独立したチャネルを追加することができた。

設計をテストするために、研究者は7日間の連続運転を行い、その結果、低温チャンバーの温度が2.1K以下に保たれ、絶対零度の0K（-273.15℃）に近いことが確認された。テスト期間中、チャネルの検出効率は80％に達し、報告された虚偽正確率は極めて低かったと、研究者は論文で述べている。

量子もつれ分配ネットワークのテスト

より現実的な状況での比較を行うために、研究チームは5ユーザーの量子もつれ分配ネットワークを構築し、10本の双方向量子リンクを設定した。各ユーザーは新開発のSPDチャネルを通じて光子を受信し、通信保真度、すなわち量子情報の保存が90％を超えることを発見した。この研究結果は『Laser & Photonics Reviews』誌に発表された。

項目	仕様
チャネル数	100
検出効率	80%
運転温度	2.1K

新しい検出器が量子技術の発展に与える影響

単光子検出器は量子技術において重要な役割を果たしており、特に量子データ伝送や量子もつれにおいて重要である。量子ネットワークの需要が高まる中、高性能の検出器の開発が鍵となる。SIMITの研究は、革新的な設計と材料の応用によって、従来の検出器が直面する熱負荷の問題を効果的に解決できることを示しており、量子情報の伝送効率を向上させる。これは量子インターネットの発展を推進するだけでなく、関連技術の商業化応用を促進し、未来の技術発展に深遠な影響を与える可能性がある。