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Jun 07, 2023

量子コンピューターは間もなく長距離接続できるようになる

Bartlomiej Wroblewski/iStock 購読すると、当社の利用規約とポリシーに同意したものとみなされます。いつでも購読を解除できます。 量子通信は都市や海洋では増幅できないことをご存知ですか

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量子伝送は、従来のデータ信号のように都市や海上で増幅できないことをご存知ですか? 代わりに、量子リピーターと呼ばれる特殊なデバイスを使用して定期的に繰り返す必要があります。

将来の通信ネットワークで使用される技術に向けて、研究者たちは量子デバイスを長距離にわたって接続する新しい方法を開発しました。

リピータは、将来、遠く離れた量子コンピュータを接続し、通信ネットワークのセキュリティを強化する上で極めて重要となるため、プリンストン大学の研究チームは、8月30日付けのネイチャー誌に掲載された研究の中で、量子リピータを構築するための新しいアプローチについて詳述した。

このアイデアには、結晶に挿入された 1 つのイオンのおかげで通信に対応した光を送信する中継器が含まれます。

他の一般的な量子中継システムによって放射される可視スペクトルは、光ファイバーを介して急速に劣化するため、長距離に送信する前に変換する必要があります。

この論文の筆頭著者であるジェフ・トンプソン氏によると、ホスト結晶に注入された単一の希土類イオンが新しいガジェットの基盤として機能するという。 さらに、このイオンは完全な赤外線波長の光を生成するため、信号を変換する必要がなく、その結果、ネットワークがよりシンプルで信頼性が高くなります。

「この取り組みには何年もかかりました。この研究はフォトニックデザインと材料科学の進歩を組み合わせたものでした」とトンプソン氏はプレス声明で述べた。

このデバイスの設計には、J 字型のチャネルにエッチングされたシリコンのナノスケール スライスと、少量のエルビウム イオンがドープされたタングステン酸カルシウム結晶の 2 つのコンポーネントがあります。 独自のレーザーによってパルスされると、イオンは結晶を通して光を放出します。

しかし、シリコンのコンポーネント、つまり結晶の先端に取り付けられた小さな半導体の泡が、個々の光子を捕らえて光ファイバーケーブルに送り込みます。

研究チームは、理想的には、イオンからの情報がこの光子に埋め込まれると説明している。 または、より正確に言うと、イオンのスピン、つまり量子属性からの値です。 遠く離れたノードからの信号を収集して干渉することにより、量子中継器内で遠方のノードのスピン間のもつれが生成され、伝送損失にもかかわらず量子状態のエンドツーエンド伝送が可能になります。

チームは数年前にエルビウムイオンを含む研究を開始しましたが、初期のバージョンで使用された結晶は重大なノイズを発生させました。 「このノイズにより、スペクトル拡散として知られるプロセスで、放出された光子の周波数がランダムに飛び回りました。」

彼らは、何十万もの有望な資料から、リストを数百、十数、そして三にまで絞り込みました。 最終候補者 3 名それぞれのテストには 6 か月かかりました。 チームは理想的な結果を得るためにタングステン酸カルシウム結晶に焦点を当てました。

研究チームは、2つ以上の光源を結合して干渉パターンを作成する干渉計を使用して、新素材中のエルビウムイオンが区別できない光子を放出し、「信号がハイファイの閾値をはるかに上回る」ことを証明した。

この研究は重要な閾値を超えていますが、研究チームは現在、量子状態がエルビウムイオンのスピンに保存される期間を延長することに取り組んでいます。 同グループは現在、より完全に精製され、量子スピン状態を妨げる汚染物質が少ないタングステン酸カルシウムの製造に取り組んでいる。

研究全体は 8 月 30 日に Nature 誌に掲載され、ここからご覧いただけます。

抽象的な

固体状態の原子欠陥は、長距離量子通信用の量子中継ネットワークの重要な構成要素です1。 最近、希土類イオン、特に Er3+ は、光ファイバーでの長距離伝送を可能にする通信帯域の光遷移に大きな関心を集めています。 しかし、希土類イオンに基づく中継ノードの開発は、光スペクトル拡散によって妨げられ、区別できない単一光子の生成を妨げてきました。 ここでは、非極性サイト対称性、核スピンからの低いデコヒーレンスを兼ね備え、バックグラウンドの希土類イオンを含まない材料である CaWO4 に Er3+ を注入し、光スペクトル拡散の大幅な低減を実現します。 大きなパーセル係数を持つナノフォトニックキャビティに結合した浅い注入イオンの場合、150 kHz の単一走査光線幅と 63 kHz の長期スペクトル拡散が観察され、どちらもパーセルで強化された放射線幅の 21 kHz に近い値です。 これにより、36 km の遅延線の後に測定された V = 80(4)% の視程で、連続的に放出された光子間のホン・オウ・マンデル干渉の観察が可能になります。 また、スピン緩和時間 T1,s = 3.7 s および T2,s > 200 μs も観察されますが、後者は核スピンではなく結晶内の常磁性不純物によって制限されます。 これは、単一の Er3+ イオンによる通信帯域量子中継ネットワークの構築に向けた注目すべき一歩を表しています。