日本の研究者が室温量子の進歩を発表 – ハイパフォーマンス コンピューティング ニュース分析 | HPC 内

本研究には、東京大学のマーク・サドグローブ准教授、清水海人氏、沖縄科学技術大学院大学の根本佳絵教授も参加しました。 この新しく開発された単一光子光源は、高価な冷却システムの必要性を排除し、量子ネットワークをよりコスト効率が高くアクセスしやすいものにする可能性を秘めています。

単一光子エミッターは、量子ネットワーク内のノード間の量子ビット (または量子ビット) を量子力学的に接続します。 これらは通常、極低温で光ファイバーに希土類元素を埋め込むことによって作られます。 今回、東京理科大学の佐中薫准教授率いる日本の研究者らは、室温でイッテルビウムをドープした光ファイバーを開発した。 高価な冷却ソリューションの必要性を回避することにより、提案された方法は、光量子アプリケーションのための費用対効果の高いプラットフォームを提供します。

量子ベースのシステムは、計算および通信システムの高速コンピューティングと強力な暗号化を約束します。 これらのシステムは、量子ビットともつれた光子ペアを作成する単一光子発生器で構成される相互接続されたノードを含むファイバー ネットワーク上に構築できます。

この点において、固体材料中の希土類 (RE) 原子およびイオンは、単一光子発生器として非常に有望です。 これらの材料はファイバーネットワークと互換性があり、広範囲の波長にわたって光子を放出します。 これらの RE 元素をドープした光ファイバーは、スペクトル範囲が広いため、自由空間通信、ファイバーベースの通信、量子乱数生成、高解像度画像解析などのさまざまな用途に使用できる可能性があります。 しかし、これまでのところ、単一光子光源は極低温でREをドープした結晶材料を使用して開発されており、これに基づく量子ネットワークの実用化は制限されています。

イッテルビウムドープ光ファイバーを製造するために、研究者らは、ファイバーの一部を加熱した後、張力をかけて引っ張って直径を徐々に小さくするヒート・アンド・プル技術を使用して、市販のイッテルビウムドープ・ファイバーにテーパー加工を施した。

テーパー状のファイバー内では、レーザーで励起されると、個々の RE 原子が光子を放出します。 これらの RE 原子間の距離は、ファイバーの光学特性を定義する上で重要な役割を果たします。 たとえば、個々の RE 原子間の平均間隔が、放出される光子の波長によって決定される光の回折限界を超える場合、これらの原子から放出される光は、個別の個別の光源ではなく、クラスターから発せられているかのように見えます。

これらの放出された光子の性質を確認するために、研究者らは、信号とその遅延バージョンの間の類似性を評価する自己相関として知られる分析手法を採用しました。 自己相関を使用して放出された光子パターンを分析することにより、研究者らは非共鳴放出を観察し、ドープフィルター内の単一イッテルビウムイオンからの光子放出の証拠をさらに入手しました。

放出される光子の質と量をさらに高めることができる一方で、開発されたイッテルビウム原子を含む光ファイバーは、高価な冷却システムを必要とせずに製造できます。 これにより大きなハードルが克服され、さまざまな次世代量子情報技術への扉が開かれます。 「私たちは、選択可能な波長を備え、冷却システムを必要としない、低コストの単一光子光源を実証しました。 今後は、真の乱数発生器、量子通信、量子論理演算、回折限界を超える高解像度画像解析など、さまざまな次世代の量子情報技術が可能になる可能性があります」と佐中博士は結論づけています。