Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

量子通信の隠された世界において、セキュリティは根本的な原則、すなわち「予測不可能性」に依存しています。二人の人物が秘密のコードを共有しようとしている場面を想像してみてください。他人がそれを推測できないようにするためには、彼らが送る信号は、単にランダムに見えるだけでなく、宇宙そのものの混沌とした性質から生まれた、真にランダムなものでなければなりません。これらの信号を作り出す最も有望な方法の一つは、レーザーを極めて高速で点滅させることです。レーザーがオフになり、再びオンになるとき、その光は完全にランダムな「位相」、つまり光の波の山と谷のタイミングを持つべきです。このタイミングがランダムであれば、信号は安全です。しかし、そこには落とし穴があります。もしレーザーの点滅が速すぎると、前の点滅による光がデバイス内に残り続け、次の点滅に影響を与える「幽霊」のように振る舞います。この残存する光はパターンを作り出し、信号を予測可能なものにして、セキュリティを破壊してしまいます。長年、この残留効果により、科学者たちはレーザーの点滅速度を比較的遅く保つことを余儀なくされ、それが秘密メッセージの送信や乱数生成の速度を制限してきました。

トシバ・ヨーロッパ社とケンブリッジ大学の研究チームは、この速度制限を打破する方法を見つけました。彼らは、レーザーに過去を忘れさせる方法を発見し、完全なランダム性を維持しながら、毎秒100億回の速度でレーザーを点滅させることに成功しました。これを達成するために、彼らは残留する光を掃除しようとするのではなく、外部デバイスからの新鮮で混沌とした光源でレーザーを溢れさせました。この外部光を注入することで、特殊なダイオードによって純粋に自発的でランダムなプロセスを通じて放出される光が、レーザーの記憶を圧倒しました。この外部光は、あらゆる点滅における新しい「種」として機能し、各パルスが完全に新鮮で予測不可能な位相から始まることを保証します。その結果、レーザーは、これまで量子アプリケーションにおいて不可能と考えられていた速度で作動できるようになり、高速な量子通信を阻んできたボトルネックを事実上取り除きました。

研究チームは、電流が印加されたときに光を放出するデバイスである、標準的なレーザーダイオードを用いてこのアイデアをテストしました。通常のセットアップでは、レーザーをオンとオフに切り替えて、光パルスの列を作り出します。このレーザーを毎秒1億回の速度で動作させたとき、システムは期待通りに機能しました。光パルスはランダムであり、パルス間のタイミングは前の点滅との関連性を示しませんでした。しかし、点滅速度を毎秒100億回に上げると、システムは失敗しました。パルスが互いに記憶を持ち始めたのです。一つの点滅による光が次の点滅が始まる時にもまだ存在しており、新しい点滅が古い点滅のタイミングをコピーさせてしまいました。これにより、パルス間に強い結びつきが生じ、セキュリティに必要なランダム性が破壊されました。この高速域では、レーザーはもはや独立した信号を生成しているのではなく、単にパターンを繰り返しているに過ぎず、安全な通信には役に立たないものとなっていました。

これを修正するために、チームは第二の光源、すなわち「超発光ダイオード」を導入しました。このデバイスはレーザーに似ていますが、光が明るく指向性を持つ一方で、タイミングは完全にラン当であるように設計されています（まるで、より明るく焦点の合った電球のようなものです）。彼らはこのランダムな光をメインレーザーの共振器の中に向けました。その効果は即座に、かつ劇的でした。ランダムな光がレーザーに入ると、パルス間の接続は消失しました。毎秒100億回の速度であっても、各新しいパルスは前の点滅の「幽霊」からではなく、注入された光の混沌としたノイズから誕生していました。研究者たちが放出される光の強度を測定したところ、それは「アークサイン分布」として知られる特定の統計的パターンに従っていることがわかりました。これは真のランダム性の指紋です。外部注入がない状態では、パターンは平坦で予測可能でしたが、注入を行うことで、セキュリティに必要な混沌とした形状へと戻りました。

チームは、レーザー内部で何が起きているかを理解するために、光のカラースペクトルも調査しました。レーザーが助けなしに速すぎる速度で動作しているとき、光は櫛の歯のように、一連の鋭く明確な線を示していました。これらの線は、パルスが完全に同期し、パターンを繰り返していることを示しています。外部のランダムな光を加えると、これらの鋭い線は消えました。スペクトルは滑らかで連続的な曲線となり、パルスがもはやロックされていないことを示しました。外部光は、レーザーのタイミングをスクランブル（撹乱）することに成功し、光の位相がランダムになるプロセスを加速させました。これにより、点滅の間隔が非常に短い場合でも、レーザーが完全にリセットされることが可能になりました。

追加の光を導入することへの懸念として、パルスのタイミングが不安定になりすぎるのではないかという点があります。研究者たちは、この「ジッター（揺らぎ）」、つまり各パルスが到着する際のわずかな変動を測定しました。彼らは、注入される光の量を増やすにつれてジッターも増加し、最大の注入レベルで4.4ピコ秒から21.9ピコ秒に上昇することを発見しました。しかし、彼らはこの「揺らぎ」のレベルは許容範囲内であると判断しました。パルスは正しく測定できる程度に重なり合っており、ランダム性は保持されていました。このトレードオフは価値のあるものでした。わずかに精密なタイミングを犠牲にすることは、システムを安全にするために不可欠なランダム性を回復するための小さな代償に過ぎませんでした。チームの計算によれば、この新手法は理論的に毎秒400億ビットを超える速度で乱数を生成できる可能性があり、これは現在の能力からの巨大な飛躍です。

この画期的な成果は、量子技術の開発における大きな障壁に対処するものです。現在、量子鍵配送システムの速度は、レーザーがいかにランダム性を失わずに高速でスイッチできるかに制限されています。この問題を解決することで、研究者たちはより高速な通信ネットワークへの扉を開きました。レーザー自体は今や毎秒100億回点滅できますが、システム全体、特に光を捉える検出器が、この速度をフルに活用するためには追いつく必要があります。それでもなお、このような高レートで安全なランダム信号を生成できる能力は、大きな前進です。これは、将来の量子ネットワークが今日の高速インターネットに匹敵する速度で動作できる可能性を示唆しており、解読不可能な通信の約束を現実へと近づけています。この手法はシンプルかつ堅牢であり、速度の限界を克服するために光の根本的な物理学を利用しており、時には「制御された混沌」を取り入れることが最善の進展方法であることを証明しています。