量子通信システムを支えるノード機能を持ったデバイスの開発

量子通信というのは耳慣れない言葉かもしれません。通常量子は遠く離れた場所にもデータの送受信を可能にする技術です。現在でのデータのやり取りはすべて電子上において行われており、電子は性質上遠隔移動をする能力がありません。電子を遠隔移動すべく量子の技術を使ってやる方法がありますが、その部品の開発の設計が、ロチェスター大学及びコーネル大学から始まりました。

The research team has designed a nanoscale node made out of magnetic and semiconducting materials that could interact with other nodes, using laser light to emit and accept photons.The development of such a quantum network—designed to take advantage of the physical properties of light and matter characterized by quantum mechanics—promises faster, more efficient ways to communicate, compute, and detect objects and materials as compared to networks currently used for computing and communications.

参照元：https://www.rochester.edu/newscenter/building-quantum-network-one-node-at-a-time-460032/

量子テレポーテーションの記事でも紹介しましたが、現在の電子媒体のデータのやり取りは、文字通り電子上で行われています。

これは電子の送受信が間に行われるのですが、量子テレポーテーションは、その「移動」という概念がないかもしれません。

言うなれば「瞬間移動」です。間にある「移動」という概念がありません。

そんな夢物語があるのかな、という夢のような問題にチャレンジしている研究者たちがいて、一つずつ着実にその成果を伸ばしています。

ロチェスター大学の研究者は、離れた場所で光子を交換するためのノードとして機能できるデバイス内に「光学活性スピンアレイ」を作成します。

ロチェスター大学とコーネル大学の研究者は、量子コンピューティングと量子通信システムの重要な要素である光子、質量のない光の測定を使用して、長距離にわたって情報を交換する通信ネットワークの開発に向けて重要な一歩を踏み出しました。

研究チームは、レーザー光を使用して光子を放出および受け入れることにより、他のノードと相互作用できる磁性および半導体材料で作られたナノスケールノードを設計しました。

このような量子ネットワークの開発は、量子力学によって特徴付けられる光と物質の物理的特性を利用するように設計されており、現在使用されているネットワークと比較して、オブジェクトや材料を通信、計算、および検出するためのより高速で効率的な方法を約束します。

ノードは高さわずか120ナノメートルの柱の配列で構成されています。柱は、半導体と磁性材料の原子的に薄い層を含むプラットフォームの一部です。

アレイは、各ピラーが光子と相互作用できる量子状態の位置マーカーとして機能し、関連する光子がデバイス全体の他の場所と、および他の場所の同様のアレイと相互作用できるように設計されています。

リモートネットワークを介して量子ノードを接続するこの可能性は、非常に基本的なレベルで、粒子の特性が素粒子レベルでどのように接続されるかを説明する量子力学の現象であるエンタングルメントの概念を利用します。

ロチェスターの量子光学および量子物理学の教授であるNickVamivakas氏は説明します。

「これは、必要に応じて、さまざまな空間位置で情報を保存し、光子と相互作用できる一種のレジスターを持つことの始まりです。」

このプロジェクトは、Vamivakas Lab氏が近年ファンデルワールスヘテロ構造でタングステンジセレニド（WSe2）を使用して実施した作業に基づいています。

その作品は、原子的に薄い材料の層を互いに重ねて使用して、単一の光子を作成またはキャプチャします。

新しいデバイスは、ピラーに掛けられたWSe2と、その下にある反応性の高い三ヨウ化クロム（CrI3）の層との新しい配置を使用しています。

原子的に薄い12ミクロンの領域の層が接触すると、CrI3はWSe2に電荷を与え、各柱の横に「穴」を作成します。

量子物理学では、正孔は電子が存在しないことを特徴としています。

正に帯電した各穴には、それに関連付けられた2進の南北磁気特性もあるため、それぞれがナノ磁石でもあります。

デバイスがレーザー光にさらされると、さらなる反応が起こり、ナノ磁石が個々の光学活性スピンアレイに変わり、光子を放出して相互作用します。

従来の情報処理は0または1の値を持つビットを処理しますが、スピン状態は0と1の両方を同時にエンコードできるため、情報処理の可能性が広がります。

筆頭著者で大学院生のArunabhMukherjeeは説明します。

「極薄で12ミクロンの大きなCrI3を使用して正孔のスピン配向を制御できるため、MRIシステムで使用されるものと同様の巨大な磁気コイルからの外部磁場を使用する必要がなくなります。これは、シングルホールスピンに基づく量子コンピューターの小型化に大いに役立つでしょう。」

研究では、デバイスを作成する際に2つの大きな課題に当たりました。

1つは、反応性の高いCrI3を使用する不活性環境を作成することでした。ここで、コーネル大学とのコラボレーションが始まりました。

Vamivakasは説明します。

「彼らは三ヨウ化クロムに関して多くの専門知識を持っており、私たちが初めてそれを扱ったので、私たちはそれのその側面について彼らと調整しました。」

たとえば、CrI3の製造は、酸素と水分の劣化を防ぐために、窒素を充填したグローブボックスで行われました。

もう1つの課題は、各ピラーに関連付けられた穴とスピンバレーを適切に登録して、最終的に他のノードにリンクできるように、ピラーの適切な構成を決定することでした。

そして、そこには次の大きな課題があります。

それは、光子を光ファイバーを介して他のノードに長距離送信すると同時に、それらのエンタングルメントの特性を維持する方法を見つけることです。

Vamivakas氏は話します。

「私たちはまだその種の行動を促進するためにデバイスを設計していません。」