量子もつれ光子ルーターの開発に成功・東北大やNICT等の研究G
東北大学大学院理学研究科の金田文寛教授とPengfei Wang大学院生、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT）未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター超伝導ICT研究室の藪野正裕主任研究員らの研究グループは、量子情報を担う量子ビットとして直接利用できる単一光子の偏光状態や量子もつれ状態を、低損失かつ高度に維持しながら伝送経路を切り替えられるルーターの開発に成功したと明らかにした。
このルーターは、偏光状態によらず光子の位相を制御する電気光学素子や、既存の光学干渉計を変形させたユニークな構造をもつ光学干渉計の開発によって実現。量子ネットワーク内での量子もつれ光子の高精度な伝送経路切り替えや、全光学的な量子メモリ技術への応用などが期待されるとしている。
近年、量子コンピューターや量子暗号通信などの次世代情報技術の研究が活発化している。光の量子である光子やその量子もつれは、量子情報デバイス間をつなぐ量子ネットワーク中で、量子情報の伝送を担うことが期待されている。特に、光子の偏光は、量子情報における「量子ビット」として自然に扱うことが可能であり、重要な情報担体とされる。そのため、量子ネットワークでは、単一光子や量子もつれ光子の偏光状態を乱さずに、伝送経路を自在に切り替えるルーティング技術が重要な基盤技術となると期待されている。
現代の光通信技術においてもルーターはなくてはならないデバイスだが、既存の光ルーター、光スイッチは損失が大きく、偏光状態が維持されない問題があった。光の量の最小単位である光子は、一度失うと取り戻すことができず、光子を情報担体として扱うためには低損失かつ偏光無依存なルーターの実現が求められている。
研究では、光子のルーターを構成する全ての光学素子が偏光無依存に動作することで、低損失かつ偏光に依存しない光子のルーティング動作を実現している。
光子ルーターは、電気光学スイッチと光学干渉計を組み合わせて開発した。電気光学スイッチでは、従来、偏光を切り替えるスイッチ（ポッケルスセル）として用いられてきた2つの電気光学結晶の配列を、互いに90度回転させることで、電気光学結晶を通過する光子がどのような偏光状態にあっても、印加電圧に応じた同一の位相変化を受ける素子を実現した。さらに光学干渉計は、全ての光学素子に対して光子が浅い入射角（5度）となるように変形した干渉計を構築した。これは、一般に、0度もしくは十分に小さい入射角で光が入射するときに反射による偏光回転が起こらないことを利用するもの。その結果、最小限の数の光学素子で光子ルーターが構築され、これまでで最も低損失かつ偏光無依存な光子のルーティング動作（伝送経路切り替え）を実現した。
実験では、光通信で使用する波長域にある単一光子源や量子もつれ光子源を用いてルーターを評価した。ルーターの通過による単一光子の損失は1・3%（0・06dB）、光子の伝送経路を切り替える精度は99・3%、光子の偏光が維持されている確率は99％以上であり、これまで報告されてきた光子ルーターデバイスを上回る性能を示した。さらに、このルーターを用いた量子もつれ光子のルーティングを実証した。量子もつれ光子は、量子ネットワーク構築の資源だが、複数光子の強い相関状態にあるため、高精度なルーティングは単一光子よりも挑戦的という。本研究では、世界で初めて偏光が直交する2光子の量子もつれ状態（N00N状態）の伝送経路をルーティングし、N00N状態の特徴である、干渉縞の周期が古典的な光学干渉の1／2になる現象を高い明瞭度（97%）で観測した。
偏光によらない単一光子や量子もつれ光子のルーティングは光子を利用する量子情報技術の基盤となり得るもの。研究成果は、さらに高度な量子操作や量子ネットワーク技術に応用されていくことが期待される。すでに、本研究のルーター技術を応用した量子メモリ技術や、量子もつれ光子を合成する技術の研究が進められており、光子の伝送経路の切り替えだけでなく、各応用技術に最適化された多光子量子もつれの発生や、多者間の非局所性検証実験などの量子の世界の理解を深める基礎研究の高度化にも貢献すると期待されるという。
電波タイムズの取材に対し、発表の代表者である東北大学大学院理学研究科物理学専攻の金田文寛教授は、「これまで困難であった偏光の量子状態を維持したまま、単一光子や量子もつれ光子の経路切り替えが可能となった。偏光は光子の量子ビットとして利用できる情報担体であり、今後多数光子の偏光状態を用いた量子情報技術に貢献できると期待される」と研究の意義を語った。
また苦労した点や今後の課題等については、「実験装置に多数素子を組み込んでいくと、偏光維持は比較的簡単に実現できるが、光子の損失が大きくなって役に立たないものとなってしまう。光子は一度失うと取り戻すことができないため、最小限の素子数で偏光維持を実現するルーターを考案する点が最も労力を費やした点となる。考案したルーター方式は一見すると単純な仕組みだが、全ての構成素子が偏光を高度に維持できるものとなっている。現在は、今回のルーターをより小型で安定化すること、ルーターを用いた量子メモリ開発に着手している。量子もつれ光子の経路切り替えだけでなく、保存していつでも利用できる技術の実現を目指している」と話していた。
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※量子ビット：量子情報処理の基本の情報単位。従来の情報処理では電圧や光の強さなどをビット状態「0」と「1」に対応させて情報処理をするが、量子情報処理では、それらを2値的な量子状態が担うことで、量子重ねあわせや量子もつれを用いた新たな情報処理が可能となる。
※量子もつれ：複数の量子（本研究では光子の偏光）が互いに密接に結びついている現象。量子が遠隔地にあってもその結びつきは維持される。光子の量子もつれにより、遠隔地の量子デバイスに強い結び付きをもつ量子ネットワークの構築が可能となる。
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