通信デバイスのチップを100倍効率よく作成できる技術が実現

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100倍効率よく通信デバイスのチップを作成できる技術

スティーブンス工科大学が超高速量子コンピュータの送受信を支えるチップベースを、100倍効率よく作成する技術を実現させました。

To create photon pairs, researchers trap light in carefully sculpted nanoscale microcavities; as light circulates in the cavity, its photons resonate and split into entangled pairs. But there’s a catch: at present, such systems are extremely inefficient, requiring a torrent of incoming laser light comprising hundreds of millions of photons before a single entangled photon pair will grudgingly drip out at the other end.
参照元：https://www.stevens.edu/news/stevens-researchers-create-entangled-photons-100-times-more-efficiently-previously-possible
– スティーブンス工科大学 Stevens Institute of Technology. 17 DEC 2020 –

超高速量子コンピューターと通信デバイスは、私たちの生活の無数の側面に革命を起こす可能性があります。

しかし、最初に、研究者は、そのようなシステムが情報を送信および操作するために使用する光子の絡み合ったペアの高速で効率的なソースを必要とします。

スティーブンス工科大学の研究者はまさにそれを行い、チップベースの光子源を以前よりも100倍効率的に作成するだけでなく、大規模な量子デバイスの統合を実現しました。

ギャラガーの物理学准教授で量子科学工学センターの所長であるYupingHuang氏は話します。

「これは理論的には可能であると長い間疑われていましたが、実際にそれを示したのは私たちが初めてです。」

光子ペアを作成するために、研究者は注意深く彫刻されたナノスケールのマイクロキャビティに光を閉じ込めます。

光が空洞内を循環すると、その光子は共鳴し、絡み合ったペアに分割されます。

しかし、落とし穴があります。

現在、このようなシステムは非常に非効率的であり、1つの絡み合った光子ペアがもう一方の端でしぶしぶ滴り落ちる前に、数億の光子を含む入射レーザー光の急流が必要です。

スティーブンス氏らは、これまでのどのデバイスよりも100倍効率的な新しいチップベースの光子源を開発しました。

これにより、1つのマイクロワット出力のレーザービームから毎秒数千万のもつれ光子ペアを作成できます。

Huang氏は説明します。

「これは量子通信にとって大きなマイルストーンです。スティーブンスの大学院生であるZhaohuiMaとJiayangChenと協力して、Huangは彼の研究室の以前の研究に基づいて、非常に高品質のマイクロキャビティをニオブ酸リチウム結晶のフレークに彫りました。競馬場の形をした空洞は、エネルギーの損失がほとんどない状態で光子を内部で反射するため、光の循環が長くなり、効率が向上します。」

温度などの追加の要素を微調整することにより、チームは、もつれた光子ペアの前例のない明るい光源を作成することができました。

実際には、これにより、与えられた量の入射光に対してはるかに大量の光子ペアを生成でき、量子コンポーネントに電力を供給するために必要なエネルギーを劇的に削減できます。

チームはすでにプロセスをさらに洗練する方法に取り組んでおり、量子光学の真の聖杯を間もなく達成することを期待していると述べています。

これにより、単一の入力光子を、実質的に無駄なく、絡み合った出力光子のペアに変えることができます。

チェン氏は話します。

「それは間違いなく達成可能です。現時点では、段階的な改善が必要です。」

それまで、チームはテクノロジーを改良し続け、光子源を使用して論理ゲートやその他の量子コンピューティングまたは通信コンポーネントを駆動する方法を模索する予定です。

Huang氏は説明します。

「このテクノロジーはすでにチップベースであるため、他のパッシブまたはアクティブな光学コンポーネントを統合することでスケールアップを開始する準備ができています。」

Huang氏によると、最終的な目標は、量子デバイスを非常に効率的かつ安価に操作できるようにして、主流の電子デバイスに統合できるようにすることです。

Huang氏は説明します。

「私たちは量子技術を研究室から持ち出し、それが私たち一人一人に利益をもたらすことができるようにしたいと思っています。いつの日か、子供たちにバックパックにクォンタムノートパソコンを入れてもらいたいと思っています。それを実現するために懸命に取り組んでいます。」