研究チームが量子通信分野でブレークスルー、90%類似度の光子対の生成に成功

バーゼル大学、ルール大学、パーダーボルン大学の研究者たちが協力し、量子通信分野で重大なブレークスルーを達成し、90%同一の光子対の生成に成功した。これらほぼ区別できない粒子は、量子もつれや干渉の実現に利用でき、これらの現象は量子通信に不可欠である。量子物理学の理解が計算とセンシングの新たな領域を切り開く。科学者たちは異なる材料を用いて量子レベルで情報を格納・処理しており、捕獲イオン、中性原子、超伝導回路、光子など複数の手法を量子ビットまたはqubitとして採用している。光子は最も容易に操作できる情報キャリアの一つである。

しかし、量子通信でそれらを利用するには、完全に同一の特性を持つか、互いに「区別できない」状態でなければならない。これまでこれらの光子を生成する試みは限定的な成功にとどまっていた。光子がうまく焦点合わせできないか、一時的にしか相関しないためである。

ブレークスルーとなる光子生成技術

バーゼル、ルール、パーダーボルンの研究者たちの共同研究により、半導体量子ドットを用いてこの障壁が解決された。研究者たちは光学共振腔を備えた半導体量子ドットを使用し、「二重励起子崩壊」と呼ばれるプロセスでほぼ区別できない光子を生成した。このプロセスでは、2つの束縛励起子で構成される分子が崩壊し、1つの励起子と1つの光子を放出する。「量子ドットは通常、半導体中の人工原子と表現され、単一光子を生成できる」とパーダーボルン大学機能光子構造教授のステファン・シューマッハーは説明する。「これを専用の光学キャビティに統合することで――レーザーのキャビティに類似している――今回の研究では光の放出プロセスを特別に加速し、制御した。」

励起子は1つの電子と1つの正孔で構成され、このプロセスでは量子ドットが二重励起され、その後励起が崩壊する。したがって、二重励起子カスケードによって2つの光子が次々と生成される。より重要なのは、光子対をボタンを押す瞬間に生成できることであり、これは次世代技術の導入に極めて有用である。

光子純度の最適化手法

研究チームは量子ドットと光学キャビティの相互作用をさらに研究し、この研究はバーゼル大学実験凝縮系物理学教授のリチャード・ウォーバートンによって行われた。この研究が様々な分野でブレークスルーをもたらす助けとなったが、共同研究チームは二重励起子崩壊の科学を利用し、その崩壊を制御可能な形で進行させた。これにより研究者たちは90%の不可識別性を達成し、これは以前に達成された60%から向上したものである。より高い光子の不可識別性は、データ処理におけるエラーの減少を意味する。「結果と理論予測の優れた一致は、より高い不可識別性を持つ光子の生成への道を示している」とウォーバートンはプレスリリースで補足している。

「彼らは、システムがキャビティを使用して適切に制御されるという条件下で、二重励起子崩壊が非常に高品質な光子を生成できることを証明した。」

パーダーボルン大学ハイブリッド量子光子デバイス部門責任者のクラウス・ヨーンズは次のように述べている。「生成された光子の純度も共振腔によって最適化できることを発見した。これは半導体格子内の振動（フォノン）によってのみ制限される。この現象は『キャビティ給餌』と呼ばれ、将来の設計で考慮すべきであり、体系的にさらに最小化できる。」この研究成果は『Physical Review Applied』誌に掲載された。

新技術が量子通信の発展をどう推進するか

この研究は、半導体量子ドットが量子通信において持つ可能性を示しており、特に二重励起子崩壊を通じた高品質光子の生成において顕著である。光子の不可識別性の向上に伴い、これは量子通信の信頼性向上とデータ処理におけるエラー削減に寄与するだろう。研究チームの成果は量子通信技術の発展を推進するだけでなく、将来の量子計算とセンシング技術にも影響を与える可能性がある。これらの分野はいずれも効率的な量子ビット操作に依存しているためである。