Temporally multiplexed ion-photon quantum interface via fast ion-chain transport

インターネットを想像してみてください。それはメールや猫の動画を送るのではなく、宇宙で最も壊れやすく、魔法のようなもの、すなわち量子情報を送っているのです。この「量子インターネット」を構築するために、科学者たちは光の微粒子であるフォトンの力を使って、遠く離れたコンピュータ同士を繋ぐ必要があります。難しい点は、これらのコンピュータは通常、物質（捕捉された原子やイオンなど）でできているため、メッセージを失うことなく光と対話させることは、まるで水の入ったグラスを持ちながら幽霊と会話を試みるようなものです。そこには、超高速で超信頼性の高い翻訳者が必要になります。

大きな問題は速度です。現在、これらの翻訳者は遅いです。なぜなら、遠くからの「はい」または「いいえ」という信号を待たなければならず、光が移動するには時間がかかるからです。もし100キロメートル離れていれば、その待ち時間は約1ミリ秒です。量子コンピューティングの世界では、1ミリ秒は永遠にも等しい時間です。これを解決するために、科学者たちは「マルチプレクシング（多重化）」と呼ばれるトリックを使用します。これは、忙しい高速道路を想像してみてください。一台の車が橋を渡ろうとして、反対側が空くのを待つのではなく、一団の車を一度に送り出すのです。もし一台の車が立ち往生しても、他の車は進み続けることができます。この論文では、トラップされたイオンを用いて「量子ハイウェイ」を構築する方法を探求しています。そこでは、一度に一つのメッセージを送るのではなく、驚異的な速さで、メッセージのパレードを送り出します。

量子バス：イオンを加速させて光を作る

この研究において、UCバークレーとローレンス・バークレー国立研究所の研究チームは、これらの量子接続を作るための新しい方法を試みることにしました。9つの異なる場所に静止した9つのイオンを置く代わりに、彼らは9つのカルシウムイオンを列にし、列車のように物理的に移動させることにしたのです。彼らの目標は、「時間分割多重化（temporally multiplexed）」インターフェース、つまり、単一の量子接続を作るのに通常かかる時間の中に、9回の接続試行を詰め込みたいということでした。

この「量子バス」の仕組みは以下の通りです。彼らは、磁気と電気の檻（ポール・トラップ）の中に、9つのカルシウムイオンの鎖を捕捉しました。通常、イオンに単一のフォトンの放出させるには、特定のレーザー光を当てる必要があります。もし9つのイオンがあれば、通常は一つずつ狙いを定める必要があり、時間がかかります。しかし、このチームは巧妙なことをしました。チェーン全体に冷却レーザーを照射した後、電場を使用して、イオンのチェーン全体を74マイクロメートル（人間の髪の毛の幅よりも狭い距離）の微小な距離にわたって物理的に前後にシャトル（往復移動）させたのです。

チェーンが移動する間、彼らは中央を通過するイオンだけに当たるレーザービームをオンにしました。これは、コンベアベルトの上を歩く人々を写真家が撮るようなものです。写真家は、正しい人がレンズの前に来たときだけシャッターを切ります。イオンを十分に速く移動させることで、彼らはイオン1、次にイオン2、次にイオン3と、かつてはイオン1を行うだけにかかっていた時間内に、すべての写真を撮ることができました。彼らは9つのイオンのチェーン全体を、わずか86マイクロ秒でその小さな隙間に移動させることに成功しました。これは驚異的な速さであり、ハチドリが翼を一度羽ばたく時間ほどです。

うまくいったのか？ 単一フォトンの「指紋」

研究者たちは、実際に単一のフォトンのを得ているのか、それとも複数のイオンから一度に放出される乱雑な光の噴射を得ているのかを証明する必要がありました。これを行うために、彼らは「二次の相関関数」と呼ばれるものを測定しました。これは、2つのフォトンの到着が正確に同時であるかどうかを確認することに似ています。もし同時であれば、光源は乱雑であることを意味します。そうでなければ、光源はクリーンであり、一度に一つのフォトンのみを生み出していることを意味します。

チームは、彼らの「量子バス」が見事に機能していることを発見しました。彼らは $g^{(2)}(0) = 0.060(13)$ という値を測定しました。量子物理学の世界では、ゼロに近い数値は大きな勝利を意味します。これは、フォトンの「純度」が非常に高く、間違ったイオンから来ていないことを意味します。この結果は、「クロストーク（レーザーが誤って別のイオンに当たること）」がわずか1%程度であったことを示唆しています。著者らは、光をシングルモードファイバーに接続することで、余分な光を遮断するスーパータイトなトンネルのように機能させ、将来さらに改善できる可能性があると述べています。

凹凸のある乗り心地：バスが揺れるとき

しかし、イオンのチェーンをこれほどの速さで動かすことは、問題がないわけではありません。急加速したり急停止したりするバスに乗っているところを想像してみてください。体は投げ出されるでしょう。イオンもまた、トラップの中で振動し、投げ出されます。これは「運動励起（motional excitation）」と呼ばれます。これは悪いニュースです。なぜなら、イオンが激しく揺れすぎると、後で行うべき繊細な量子操作を行うのが困難になるからです。

チームは、高速移動の後のイオンがどれほど揺れているかを測定しました。彼らは、「重心モード（チェーン全体が一緒に振動すること）」が平均で $\bar{n}_\alpha \approx 110$ に励起されていることを見出しました。これは、イオンがかなり激しく振動していることを意味します。静止している場合よりもはるかに大きく揺れています。研究者たちは、コンピュータシミュレーションを用いて、この揺れを理解しようと試みました。彼らのモデルは、特に輸送が160から170マイクロ秒で行われた場合、イオンは実際よりももっと穏やかであるはずだと予測していました。これは、彼らが実用的なプロトタイプを手にしている一方で、現在のモデルでは完全には捉えきれていない「ディアバティック（非断熱的、あるいは急激で不連続な）」な物理現象が起きていることを示唆しています。彼らは、イオンがまだ完全にマッピングされていない方法で、その動きを混合させているのではないかと推測しています。

今後の展望

この論文は「原理実証（proof-of-principle）」であり、たとえ現時点で完璧ではなくても、そのアイデアが現実の世界で機能することを示しています。著者らは、もしトラップをよりタイトに（3Dプリントされたマイクロトラップを用いて）したり、イオンの移動方法を最適化したりできれば、さらに高速化できる可能性があると示唆しています。また、この手法は、フォトンの捕獲効率をさらに高めるために、小さな鏡（キャビティ）と組み合わせることができるとも指摘しています。

現在のセットアップには、揺れやわずかなレーザーの「クロストーク」がありますが、核心となるアイデアは強固です。イオンのチェーンを物理的に移動させることで、量子接続を作成しようとする速度を倍増させることができます。これは、量子ネットワークが以前は不可能と思われていた速度で、長距離を隔てて通信できる未来への道を開くものです。現在はまだ道がデコボコしていますが、バスは確実に前進しています。