Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform

今日のコンピュータには到底及ばない問題を解決できる量子コンピュータの構築という夢は、しばしば一つの手強い課題に直面しています。それは、光の微粒子と呼ばれるフォトンの相互作用を、いかにして単一の極小チップ上で実現するかという問題です。量子情報の世界において、これらのフォトンの役割は、繊細なデータを回路を通じて運ぶメッセンジャーです。これを大規模に機能させるためには、フォトンの生成源、それらを導くチャネル、そしてそれらを受け止める検出器がすべて互換性のある材料で作られ、一つの場所に統合されているプラットフォームが必要です。長年、研究者たちは、チャネルにはシリコンを用い、光源には特殊な半導体を用いるといった具合に、異なる材料を用いてこれらを組み立てようと試みてきました。しかし、これら異なる材料を共存させることは、ガラスをゴムに接着しようとする試みに似ており、そのプロセスは脆弱で複雑であり、スケールアップが困難です。より有望な道は、原子層レベルの薄いシートで構成され、過酷な化学的結合を必要とせずにレゴブロックのように積み重ねることができる「ファンデルワールス材料」として知られる材料群を利用することにあります。これにより、これらの集積回路をよりクリーンに構築することが可能になります。

デンマーク工科大学の研究チームによる新しい研究では、これらの積層可能な薄層材料のみを用いて、機能する量子光源の構築に成功するという、この目標に向けた重要な一歩を踏み出しました。彼らは、二セレン化タングステンという特定の種類の原子層結晶が、単一フォトンの「工場」として機能するデバイスを作り上げました。この結晶は、光を捉えて経路に沿って導くように設計された、二硫化タングステンという別の結晶からなるマイクロ波導路（ウェーブガイド）の真上に直接配置されました。この極小のチャネルから光を取り出し、測定機器へと送り出すために、彼らはチャネルに一連の同心円状の微細なリングを刻み込み、光を上方へ散乱させるグレーティング（回折格子）として機能させました。その結果、これら二種類の二次元材料を用いた単一のチップ上で、光の生成、誘導、抽出がすべて行われる、完全に統合されたシステムが実現しました。

研究者たちは、光源をより明るく、かつクリアにするための特定のテクニックに焦点を当てました。結晶に幅広いスペクトルの光を当てる代わりに、材料が通常光を吸収するポイントの直下の非常に精密なエネルギーレベルに調整されたレーザーを使用しました。「離散状態励起（discrete-state excitation）」として知られるこの手法により、他の手法に伴うノイズのような背景光を避けつつ、単一フォトンの放出を誘発することができました。デバイスから放出される光をテストしたところ、それは驚くほど純粋でした。量子物理学の世界では、純度は検出器が二つのフォトンの同時到着をどれほど頻繁に検知するかによって測定されます。真の単一光子源であれば、これはほとんど起こってはならないことです。チームがこの値を測定したところ、ゼロに極めて近く、このデバイスが極めて高い信頼性を持って一度に一つのフォトンのみを放出していることが示されました。

光が実際に波導路を通っているのか、あるいは単にランダムに漏れ出しているだけではないのかを証明するために、研究者たちは巧妙なテストを行いました。彼らはマイクロ波導路の両端から同時に光を収集しました。それぞれの端に到着するフォトンの流れを比較することで、光がチップ内を効率的に導かれていることを確認できました。この両側からの測定により、フォトンの流れがチャネルの二つの端に分割され、かなりの数のフォトンの端に到達していることが確認されました。彼らの計算によれば、このデバイスは毎秒数十万個の単一フォトンの送信が可能であり、システム内の損失を考慮して調整すると、波導路内部で毎秒数百万個のフォトンの生成が行われていることを示唆しています。この明るさと効率のレベルは、同様の材料を用いたこれまでの試みと比較して大きな進歩です。

成功の鍵となったのは、材料の積み重ね方でした。彼らは、光源と波導路の間に六方窒化ホウ素と呼ばれる薄い層を配置しました。この層は保護スペーサーとして機能し、繊細な発光結晶を波導路の上に置いた際に結晶が割れるのを防ぐ一方で、光がチャネルへと効率的に結合することを可能にしました。このスペーサーがなければ、結晶は破断してしまう傾向がありました。また、チームは放出される光が高度に偏光していること、つまり光の波が特定の方向に振動していることも発見しました。これは、将来の回路において光の挙動を制御するための有用な特徴です。

この研究は、量子コンピューティングのあらゆる問題を解決したと主張するものではありませんが、これら多才な薄層材料のみを用いて、完全な動作を実現する量子光源を構築できることを実証しました。研究者たちは、層の構造と波導路の形状を注意深く設計することで、光源からチャネルへと光を移動させる際の通常の困難を克服できることを示しました。また、光が単に表面で散乱しているだけではないことも、測定によって確認されました。測定結果は、フォトンの波導路モード内を通過していることを裏付けています。現在のデバイスはプロトタイプに過ぎませんが、その結果は明確な進むべき道を示しています。同じ系統の材料で作られた検出器やフィルターなどのコンポーネントを追加することで、科学者たちは、現在のハイブリッドシステムよりも製造が容易で信頼性の高い、複雑な量子回路を最終的に構築できる可能性があります。この研究は、ファンデルワールス・プラットフォームが、次世代の量子技術のための実行可能かつ強力な基盤であることを確立したのです。