Narrowband and high-rate entangled photon-pair generation from a high-Q silicon microring resonator

根本的に安全な未来のインターネットを構築するという探求において、科学者たちは量子力学の奇妙な法則に目を向けています。この技術の中核にあるのは、光子として知られる、もつれ状態にある一対の光粒子です。2つの光子が量子もつれ状態にあるとき、それらは深い繋がりを共有し、一方の状態がもう一方に即座に影響を与えます。これは、どれほど離れていても同様です。この現象は量子通信のエンジンであり、情報の傍受が理論的に不可能な方法で情報を送信することを可能にします。しかし、これらの量子ネットワークを長距離で機能させるためには、光粒子を「量子メモリ」と呼ばれる特殊な材料に保存しなければなりません。これらのメモリは小さな金庫のような役割を果たしますが、非常に好みが激しいのが難点です。特定の、非常に狭い速度で振動する光しか保持することができません。もし光が広すぎたり「ノイズ」が多かったりすると、メモリはそれを捉えることができません。さらに、実用的なネットワークを作るためには、これらの光源が量子もつれペアを非常に高速に生成する必要があります。長年、研究者たちは困難なトレードオフに直面してきました。光を非常に精密に生成できるが非常に遅い光源を作るか、あるいは高速だが量子メモリに保存するには広すぎる光源を作るか、という選択肢です。

NTT基礎研究所と北海道大学の研究チームは、小さなシリコンのリングを用いることで、この膠着状態を打破する方法を見出しました。彼らは、量子メモリに保存できるほど十分に狭い光を維持しながら、高速で量子もつれ光子ペアを生成するデバイスの作成に成功しました。彼らの成功の鍵は、新しい材料や複雑な化学プロセスではなく、標準的なシリコンチップの巧妙な再設計にありました。チップ上の微小なリングのサイズと形状を慎重に調整することで、光が進む経路を滑らかにし、通常はビームの質を損なう散乱を減少させることに成功したのです。これにより、現在のコンピュータプロセッサに使用されている標準的な製造ツールのみを使用して、記録的なレベルの性能を達成することができました。

彼らが構築したデバイスは「シリコン・マイクロリング共振器」であり、本質的には、幅が数十マイクロメートルしかない、光のための非常に小さな円形のトラックです。このリングに光を注入すると、光は何度も循環し、強度が蓄積されます。「自発的四光波混合」として知られるこのプロセスにより、入射した光は、量子もつれ状態にある一対の新しい光子へと分裂します。従来のシリコンデバイスでは、これら微小なリングの端が原子レベルで粗くなっており、それが原因で光が散乱し、エネルギーを失っていました。この散乱によって、光を閉じ込め、狭い帯域に保つことが困難になっていました。研究者たちは、リングをより太く、半径を大きくすることで、光の波を粗い端から遠ざけ、より滑らかな導波路の中心へと押し込めることに気づきました。彼らは異なるサイズのリングをテストし、半径40マイクロメートル、幅1.5マイクロメートルのリングが最良のバランスを提供することを発見しました。この特定の幾何学的形状により、光と粗い側壁との相互作用が最小限に抑えられ、損失を極めて少なくして光を循環させることが可能になりました。

この最適化の結果は驚くべきものでした。チームは、リングがいかに光を閉じ込めるかを示す数値である「固有品質係数（Q値）」を126万と測定しました。これは、この種のシリコンベースの光源として報告された中で最も高い値の一つです。光が非常に効果的に閉じ込められているため、このデバイスは毎秒919万個の量子もつれ光子ペアを生成できます。さらに重要なのは、生成される光が極めて狭い帯域（約300メガヘルツ）を持っていることです。この狭さは、エルビウムを添加した結晶のような固体系量子メモリの貯蔵能力と一致するため、非常に重要です。研究者たちは、光子ペアを分割して異なる経路に送り、それらを再結合させた際に、光子が互いに干渉する様子を確認することで、光が実際に量子もつれ状態にあることを証明しました。この干渉の可視性は98パーセントに達しました。この高い可視性は、量子もつれが非常に高品質であることを示しており、実世界のアプリケーションに適していることを意味します。

また、この研究では、シリコンフォトニクスにおける一般的な問題、すなわち光が明るくなりすぎるとデバイスの効率が低下するという問題にも対処しました。高出力レベルでは、シリコン自体が光の一部を吸収して自由電子を生成し、それがさらに光を吸収して信号が飽和を引き起こします。研究者たちはこの飽和現象を観察し、それが検出器の欠陥ではなく、シリコン材料自体によるものであることを確認しました。この物理的な限界にもかかわらず、彼らのデバイスは、帯域幅1ギガヘルツあたり22.0メガヘルツという輝度係数を生成しました。これは、生成される有用なペアの数を示す指標です。この性能は、従来のシリコンデバイスの記録を上回り、他の材料で作られたより複雑なシステムにも匹敵します。この研究の意義は、そのシンプルさにあります。チームは、特別な後処理工程や珍しい製造技術を用いることなく、これらの結果を達成しました。彼らは、コンピュータチップの量産に使用されるものと同じ、標準的な電子線リソグラフィとエッチング技術を使用しています。

この成果は、量子インターネットのスケールアップへの道が、現在のデジタル世界を支えているものと同じシリコン技術によって切り拓かれる可能性があることを示唆しています。高速かつ狭帯域の量子もつれ光を標準的なシリコンチップ上で生成できることを証明することで、研究者たちは既存のインフラに量子中継器を統合する際の大きな障壁を取り除きました。量子中継器は、長距離通信の範囲を広げるために不可ニであり、信号をリフレッシュするステーションとして機能します。これらの中継器が機能するためには、高速かつ狭帯域な光源が必要であり、この新しいシリコンリングはまさにそれを提供します。この研究は、速度と精度の間のトレードオフが、決して破ることのできない物理法則ではなく、インテリジェントなエンジニアリングによって解決できる設計上の課題であることを示しています。チームが述べているように、光の広がりを制御するためにチップの幾何学的形状を改良することで、さらなる改善は可能です。しかし、現在の結果はすでに、標準的なシリコンフォトニクスで何が可能であるかという新たなベンチマークを確立しています。量子ネットワークへの道のりは、単純で最適化されたシリコンのリングという基礎の上に、より明確なものとなっています。