インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者らは、世界で初めて量子データを2台のマシンの間で転送し、その出力を読み取ることに成功した。これは、超安全で超高速な量子インターネットへの第一歩となる可能性を秘めた画期的な成果である。
量子情報を共有する能力は、分散コンピューティングや安全な通信のための量子ネットワークを開発する上で極めて重要である。
しかし、量子データはその性質上、長距離伝送すると失われやすい。この性質によって、長らくこの開発は妨げられていた。この障壁を克服するため、科学者たちは、ネットワークを小さなセグメントに分割し、それらをリンクさせて同じ量子状態を共有する方法を模索してきた。
従来の通信では、中継器を使って信号を増幅し、確実に目的地に到達させていた。そのためには、データを保存し、最も重要なことはデータを取り出すことができなければならない。
しかし、古典的な中継器は、量子データを読み取ったりコピーしようとすると破壊してしまうため、使用することができない。そのため、量子情報を長距離伝送するためには、ネットワーク全体に渡って量子情報を保存し、取り出すための装置が必要となる。
量子情報を共有するための一つのアプローチは、もつれた光子を使うことである。粒子はもつれ合うので、一方の粒子を理解することなく、もう一方の粒子を理解することはできない。
しかし、もつれた光子を長距離で共有するには、2つの装置が必要である。1つは、伝送ネットワーク上で光子を生成し、保存し、取り出す装置である。
これまでも科学者たちはそのようなデバイスの作成を試みてきたが、もつれた光子をオンデマンドで生成し、それを保存する互換性のある「量子メモリー」を開発することは、依然として困難であった。
これは、光子の生成と保存に使用されるデバイスが異なる波長を使用しており、それらのインタフェースが困難であったことが主な理由である。だが今回、Sarah Thomas博士とLukas Wagner博士率いる研究チームは、標準的な光ファイバーケーブルを使って、同じ波長を使用し光の量子状態を吸収・保存して後で取り出すことができる新しいタイプの「量子メモリー」を実現した。
研究によると、このシステムは、半導体量子ドットを使って光子を生成することに依存しているが、このシステムを新しい量子メモリと会話させるのは容易なことではなかった。ORCA（Off-Resonant Cascaded Absorption）として知られるこのメモリは、ルビジウム原子の雲を使って量子情報を保存する。量子ドットによって生成される光子は、原子に吸収されやすい適切な波長を持っていないため、研究者たちはこのブレークスルーを可能にするためにいくつかの調整をしなければならなかった。
まず、標準的な光ファイバー通信回線と互換性のある1529.3nmで発光するように量子ドット構造を調整した。次に、原子量子メモリーと相互作用できるまで、放出される光子の波長を調整するために、一連のフィルターと変調器を考案した。レーザーはルビジウム原子の吸収特性を変化させることで、メモリのオン・オフを切り替える。「2つの重要なデバイスを相互作用させることは、量子ネットワーキングを可能にする上で極めて重要な前進であり、これを実証できた最初のチームであることに、私たちは本当に興奮しています」とThomas博士は語った。
「このシステムが機能することは、信じられないような成果ですが、私たちが知っているようなインターネットを作り変えるには程遠いものです」とThomas博士は述べている。
研究チームは、原子メモリーに12.9％の効率でフォトニック状態を保存し、後で読み取ることができたと報告している。つまり、この技術は量子情報を破壊することなく保存し、呼び出すことができるということだ。量子コンピューティングが日常的な現実になるには、まだクリアすべきハードルがあるが、これはその方向への大きな一歩である。
論文
- Science Advances: Deterministic storage and retrieval of telecom light from a quantum dot single-photon source interfaced with an atomic quantum memory
参考文献
- Imperial College London: Crucial connection for ‘quantum internet’ made for the first time
研究の要旨
固体単一光子源と原子量子メモリーのハイブリッドインターフェースは、光量子技術において長い間求められてきた目標である。ここでは、半導体量子ドットからの光を、電気通信波長における原子アンサンブル量子メモリに決定論的に保存・検索することを実証する。インジウムヒ素量子ドットからの単一光子を高帯域幅ルビジウム蒸気ベース量子メモリに保存し、その内部メモリ効率は(12.9±0.4)%であった。検索されたライトフィールドのS/N比は18.2±0.6であり、検出器のダークカウントによってのみ制限される。
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