Toward triggered generation of indistinguishable single-photons from MoTe$_2$ quantum emitters

超高セキュアな通信と強力なコンピューティングの未来は、非常に特殊な種類の光、すなわち単一光子に依存しています。これらは、従来の信号を悩ませるノイズや干渉を受けることなく情報を運ぶことができる、個々の光の粒子です。これらのシステムを長距離で機能させるためには、光子が「不可識別（indistinguishable）」であること、つまり、あたかも全く同じ瞬間に全く同じ金型から鋳造された2枚のコインのように、あらゆる面において同一であることを意味します。もしそれらがわずかでも異なれば、これらの技術に必要な繊細な量子効果は崩れてしまいます。科学者たちはこれらの単一光子を作り出す方法を見出してきましたが、世界の電気通信ネットワークで使用される波長でこれを行うことは困難であると判明しています。既存の光源の多くは可視光の周波数で作動していますが、これらは光ファイバーケーブルによって急速に吸収されてしまうため、長距離移動には適していません。研究者たちは、インターネットで使用されている近赤外線の波長で、これらの完璧で同一の光子を生成できる材料を探してきましたが、信頼性が高く高品質な光源を見つけることは大きな障壁であり続けてきました。

デンマーク工科大学の研究チームは、モリブデン・ジテル（molybdenum ditelluride）と呼ばれる材料を使用して、これら捉えどころのない光粒子を作り出す新しい方法を実証しました。この材料は二次元結晶であり、厚さはわずか数原子分しかありません。そして、他の材料よりも電気通信で使用される波長に近い、近赤外線領域の光を自然に放出します。課題となっていたのは、この材料は光を放出できるものの、通常、生成される光子がさまざまな色やタイミングを持つ「乱れた」状態であり、高度な量子タスクには使用できないことでした。研究者たちは、この材料が完璧で同一の光子をオンデマンドで放出するように強制できる、制御された環境を作り出すことで、この問題を解決しようと試みました。

これを実現するために、チームは結晶のための特殊なステージを構築しました。まず、光を反射させて何度も往復させ、収集できる光の量を最大化するように設計された鏡のような表面から始めました。その上に、硬い樹脂で作られた小さな星型の柱を配置しました。この柱の上にモリブデン・ジテル薄片を転写すると、材料は鋭い突起の周りに自然に曲がり、しわが寄りました。これらのしわは、結晶内に強烈な物理的ストレスを生じさせました。研究者たちは、集束した電子ビームを使用して、これらのストレスがかかった領域に微細で特定の欠陥を作り出しました。この物理的なストレスと原子スケールの損傷の組み合わせがトラップとして機能し、エネルギーを結晶内の極めて小さな点に閉じ込め、そこから単一の光子を放出させるようにしたのです。

結果は、これまでのこの材料を用いた試みと比較して、大幅な改善を示しました。チームは、これらのエンジニアリングされたエミッターが、1090から1200ナノメートルの非常に特定の波長範囲、つまりスペクトルの近赤外線部分で光を放出することを発見しました。放出された光は高度に偏光されており、これは光の波が一定の方向に一貫して振動していることを意味し、高度に制御された光源である証拠です。最も重要なことは、光子が非常に速く、わずか130から450ピコ秒（1兆分の1秒）という寿命で放出されたことです。この速度は極めて重要です。なぜなら、光子が周囲の環境と相互作用して「乱れる」時間を短縮できるからです。

これらが単なる暗い光ではなく、真の単一光子であることを証明するために、研究者たちは光子が検出器に到着した際の挙動を測定しました。彼らは、光子が一つずつ到着し、二つが同時に到着する確率が非常に低いことを見出しました。レーザーによる材料への励起方法を注意深く調整することで、背景ノイズをほぼゼロに抑え、二つ目の光子が現れる確率が1パーセント未満となる純度を実現しました。また、デバイスに小さな電圧を印加することで、放出される光の色を実用的な範囲でわずかにシフトできることも発見しました。このチューニング能力は、異なるエミッターの色を一致させ、それらをより大きなネットワーク内で連携させるために不可欠です。

これらの光源にとって最も重要なテストは、光子が不可識別であるかどうかを確認することでした。研究者たちは、ソースからの二つの光子をビームスプリッターで出会わせる実験を設定しました。もし光子が同一であれば、それらは特定の 방식으로干渉し、別々に出るのではなく、一緒に排出されます。チームはこの干渉を観察し、光子が確かに不可識別であることを確認しました。その効果は完璧ではありませんでしたが、この種の材料において測定された中で最も強力なものでした。最もクリーンな瞬間のみにデータをフィルタリングすることで、モリブデン・ジテルではこれまで到達できなかったレベルの不可識別性を達成しました。

この研究は、量子技術における二次元結晶の使用における転換点となります。物理的な歪み、精密な欠陥作成、そして電気的な制御を組み合わせることで、扱いにくい材料を信頼性の高い単一光子源に変えられることを示しています。放出をチューニングでき、高い純度を実現できる能力は、これらの光源が最終的に既存の光ファイバーネットワークに統合される可能性を示唆しています。現在のデバイスは、まだ長距離通信で使用される正確な波長には達していませんが、進むべき道筋は明確です。材料の厚さを調整し、製造プロセスを洗練させることで、これらのエミッターは間もなく次世代の量子通信システムの標準的なコンポーネントとなり、ハッキング不可能なネットワークと強力な量子コンピュータの約束を現実へと近づけることになるでしょう。