量子インターネットへの新たなルート

研究者らは、量子デバイスを長距離接続する新しい方法を発見しました。これは、この技術が将来の通信システムで役割を果たすために必要な一歩です。

今日の古典的なデータ信号は都市や海を越えて増幅できますが、量子信号は増幅できません。 それらは一定の間隔で繰り返す必要があります。つまり、量子リピーターと呼ばれる特殊なマシンによって停止、コピー、転送されます。 多くの専門家は、これらの量子中継器が将来の通信ネットワークで重要な役割を果たし、セキュリティが強化され、リモート量子コンピュータ間の接続が可能になると考えています。

Nature 誌に 8 月 30 日に掲載されたプリンストンの研究は、量子中継器を構築するための新しいアプローチの基礎を詳述しています。 結晶に注入された単一イオンから発せられる通信対応の光を送信します。 この研究の主著者であるジェフ・トンプソン氏によると、この取り組みは何年もかけて行われたという。 この研究では、フォトニック設計と材料科学の進歩を組み合わせました。

他の主要な量子中継器の設計は可視スペクトルの光を放射しますが、光ファイバーでは劣化が早く、長距離を伝送する前に変換する必要があります。 新しいデバイスは、ホスト結晶に注入された単一の希土類イオンに基づいています。 また、このイオンは理想的な赤外線波長で光を放出するため、そのような信号変換が必要なく、よりシンプルで堅牢なネットワークを実現できます。

このデバイスは 2 つの部分で構成されています。ほんの一握りのエルビウム イオンがドープされたタングステン酸カルシウム結晶と、J 字型のチャネルにエッチングされたナノスケールのシリコン片です。 特殊なレーザーでパルスを与えると、イオンが結晶を通して光を放射します。 しかし、結晶の上部に貼り付けられた半導体の塊であるシリコン片が、個々の光子を捕らえて光ファイバーケーブルに導きます。

理想的には、この光子はイオンからの情報でエンコードされるだろうとトンプソン氏は述べた。 より具体的には、スピンと呼ばれるイオンの量子特性から。 量子中継器では、遠く離れたノードからの信号を収集して干渉すると、それらのスピン間にもつれが生じ、途中で損失が発生しても量子状態をエンドツーエンドで送信できるようになります。

トンプソン氏のチームは数年前に初めてエルビウムイオンの研究を始めたが、最初のバージョンではノイズが多すぎる別の結晶が使用されていた。 特に、このノイズは、スペクトル拡散として知られるプロセスにおいて、放出された光子の周波数をランダムに飛び回らせました。 これにより、量子ネットワークの運用に必要な微妙な量子干渉が防止されました。 この問題を解決するために、彼の研究室は、電気工学およびコンピュータ工学の准教授であるナタリー・デ・レオンと、主要な固体材料科学者でありプリンストン大学のラッセル・ウェルマン・ムーア化学教授であるロバート・カバと協力して、単一の物質を収容できる新しい材料を探索し始めました。ノイズがはるかに少ないエルビウムイオン。

彼らは、候補となる材料のリストを数十万から数百、次に数十、そして 3 に絞りました。 最終候補者 3 名はそれぞれテストに半年かかりました。 最初の資料は十分に明確ではないことが判明しました。 2つ目は、エルビウムの量子特性が劣ることを引き起こしました。 しかし、3 番目のタングステン酸カルシウムはまさに適切でした。

新しい材料が量子ネットワークに適していることを実証するために、研究者らは、光子が 2 つの経路のいずれかをランダムに通過する干渉計を構築しました。 1 つは長さ数フィートの短い経路、もう 1 つは長さ 32 マイルの長い経路 (スプールされた光学素子で作られています)ファイバ）。 イオンから放出された光子は長い経路または短い経路を進むことができ、約半分の時間、連続する光子は反対の経路をたどり、同時に出力に到着します。

このような衝突が発生すると、量子干渉により、光子が基本的に区別できない場合、つまり同じ形状と周波数を持つ場合に限り、光子がペアで出力されます。 それ以外の場合は、干渉計を個別に終了します。 干渉計出力で個々の光子が最大 80 パーセントまで強力に抑制されることを観察することで、研究チームは、新材料中のエルビウム イオンが区別できない光子を放出することを決定的に証明しました。 研究を共同主導した大学院生のサリム・オウラリ氏によると、その信号はハイファイの閾値をはるかに上回っているという。