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2025-11-01 07:01:00
干渉計をベースにした低損失ルーターは、単一光子ともつれたペアを方向付けながら偏光を維持します。
量子情報技術は理論から実験へと着実に移行しており、世界中の研究者が安全な通信ネットワークと次世代コンピューティングの構成要素に取り組んでいます。日本の新しい研究では、別の重要な進歩が報告されています。それは、単一光子ともつれた光子のペアの両方を、それらが運ぶ脆弱な情報を損傷することなく方向付けることができる低損失ルーターです。
東北大学と情報通信研究機構の研究者らによって実証されたこのデバイスは、極めて低い信号損失と、量子情報をエンコードする偏光（光波の方向）を保存する機能を初めて組み合わせたものである。
「任意に偏光した単一光子ともつれ光子のルーティングは、量子情報アプリケーションをスケールアップするための重要な技術です」と研究チームは2016年に発表した研究で説明している。 高度な量子技術。
Photonルーターが重要な理由
このため、研究者は、光子の特性を損なうことなく、さまざまな経路に沿って光子の向きを変えることができるデバイスを必要としています。特に、偏光は、量子情報 (量子ビット) の最も広く使用されているキャリアの 1 つです。したがって、偏波保持ルーターは、量子メモリ、長距離通信チャネル、大規模ネットワークの構築に不可欠です。
著者らは、「単一光子のフォトニックルーターには、量子状態を乱すことなく、低損失、低ノイズ、高速動作が必要である」と述べています。この組み合わせを達成するのは難しいことがわかっています。過去の試みでは、損失が多すぎるか、特定の偏光に対してのみ機能するか、安定性を低下させる大きな補償器（光子の偏光の歪みを補正するために追加される追加の光学素子）が必要でした。
新しい低損失設計
日本のチームは、コンパクトな干渉計（光を 2 つの経路に分割し、経路長に応じて波がお互いに強めたり打ち消し合ったりできるように再結合する構成）と、特別に配置された電気光学結晶を組み合わせたルーターを設計することで、これらのハードルを克服しました。量子光学において、このアプローチは、研究者が光子が運ぶ壊れやすい情報を破壊することなく正確な方法で光子を操作できるため、特に価値があります。これらの要素は不要な歪みを打ち消し、あらゆる偏光の光子が変更されずに通過できるようにします。
テストの結果、ルータの損失はわずか 0.057 デシベル (約 1.3 パーセント) で、フォトン パスをわずか 3 ナノ秒で切り替え、同時に実質的にノイズを追加することなく動作したことがわかりました。
「恣意的に二極化 […] 「単一光子は、理想的な動作に対して99パーセント以上の忠実度でルーティングされます。」と研究者らは報告しています。また、このルータは、もつれ合った光子ペア（その特性がリンクされたままであり、どんなに離れていても、一方の測定が他方に即座に影響を与えるように特性が保たれている光子）に対して機能し、約97パーセントの干渉可視度で相関を維持することを確認しました。「これは、多光子もつれの光路を能動的に切り替えることの最初の実証であり、直交偏光状態だ」と彼らは付け加えた。
このルーターは通信帯域 (今日の光ファイバー インフラストラクチャで使用されているのと同じ帯域) で動作するため、既存のネットワークに直接統合できます。この互換性は、実験室実験を超えて量子システムをスケールアップするために重要です。
課題と次のステップ
結果は有望ですが、研究者らはいくつかの課題が残っていることを認めています。問題の 1 つは、光子が自由空間から光ファイバー (光を長距離に導くために使用されるチャネル) に転送されるときに発生するわずかな損失です。もう 1 つは、システムの長期安定性が現在数時間に制限されていることです。
「ルーターの安定性は、セットアップを小型化し、アクティブな位相安定化技術を使用することでさらに改善できます」と著者らは書いており、環境の外乱にもかかわらず光路のバランスを保つために光路を継続的に調整する方法について言及しています。彼らは、電気光学結晶（光子の偏光がどのように変化するかを制御するコンポーネント）の位置をより正確に調整することで、忠実度をさらに完璧に近づけることができると付け加えた。
研究チームは「私たちが実証したスキームは、さまざまな基本的な光量子操作を改善し、広範な量子情報アプリケーションの進歩に貢献するだろう」と結論づけている。
Gerd AltmannによるPixabay経由のフィーチャー画像
#量子ルーターは繊細な光子の状態を保存する