Coherent microwave-to-optical transduction with Yb:YSO spins strongly coupled to a 3D resonator

量子インターネットの構築という探求において、科学者たちは二つの強力な技術間の根本的な断絶に直面しています。一方には、現在の量子コンピューティング能力のレースをリードしている、極めて高速で微小なプロセッサである超伝導量子ビットがあります。これらのマシンはマイクロ波周波数で作動し、機能させるためには絶対零度に近い温度に保たれなければなりません。もう一方には、光信号があります。これは、光ファイバーケーブルを通じて損失をほとんどなくして広大な距離を越えて情報を運ぶことができる、光のビームです。課題は、これら二つの情報の言語が互いに言葉を通じ合わせることができない点にあります。量子コンピュータをグローバルなネットワークに接続するために、研究者たちは、コンピュータからのマイクロ波信号を、移動のための光信号へと変換し、再び元の形に戻すことができる「翻訳機」、すなわちトランスデューサー（変換器）を必要としています。その際、運んでいる繊細な量子情報を破壊してはなりません。

この翻訳は、マイクロ波フォトンのエネルギーと光フォトンのエネルギーの差が膨大であるため、困難を極めます。さらに、この翻訳機はコンピュータと同じ極低温の環境で作動しなければならず、コンピュータの動作を妨げるような強い磁場に頼ることもできません。いくつかの材料は有望な兆しを見せていますが、それらは多くの場合、超伝導回路と相容れない磁場を必要とします。カナダ大学カルガリー校の研究チームは現在、イッテルビウムイオンをドープした特定の結晶に注目しています。この材料は、外部磁場を必要とせずにこの溝を埋めるための適切な特性を自然に備えており、量子メモリと信号変換を単一の効率的なデバイスへと統合するための潜在的な道筋を提供しています。

研究者たちは、イッテルビウムを少量注入したイットリウム・オルソシリケートの結晶を用いて、この変換の実証を試みました。彼らは、数ミリメートルの大きさしかないこの小さな結晶片を、特殊な3Dマイクロ波共振器の中に設置しました。この共振器は、ループやギャップを備えた形状を持つ中空の金属構造体であり、マイクロ波信号を捕捉し増幅するように設計されています。結晶は、中の原子が安定した状態を維持できるよう、深宇宙よりも冷たい30ミリケルビンまで冷却されました。その後、チームは連続的なレーザー光のビームを結晶に照射しながら、同時にマイクロ波信号を共振器に通しました。目標は、マイクロ波エネルギーが原子によって吸収され、新しい色の光として再放出される、つまり信号をある形態から別の形態へと実質的に翻訳できるかどうかを確認することでした。

実験は、この変換を生み出すことに成功しましたが、プロセスは現在は非常に微弱なものでした。チームは2 × 10のマイナス8乗という内部効率を測定しました。これは、1億個のマイクロ波フォトンのうち、変換された光フォトンのごくわずかな割合しか出現しないことを意味します。この数値は低いものの、結果は重要でした。なぜなら、短時間のバースト（断続的な放出）としてではなく、連続的なデータストリームの中でこのメカニズムが機能したことを証明したからです。システムは200キロヘルツの帯域幅、つまり一度にどれだけの情報を扱えるかを示す幅で動作しました。決定的なことに、これらすべては外部磁場を適用することなく、イッテルビウム原子の自然な内部構造を利用して、変換に必要なエネルギー準位を作り出すことで実現されました。

なぜこの変換が機能しているのかを理解するために、研究者たちは結晶内の原子がマイクロ波場とどのように相互作用しているかを調査しました。彼らは「回避交差（avoided crossing）」として知られる現象を観察しました。これは、原子と共振器のエネルギー準位が周波数において接近したときに、互いに反発し合う現象です。この反発は、マイクロ波場と原子のスピンが強く結合し、周囲にエネルギーを失うよりも速くエネルギーを交換している明確な兆候です。これらのエネルギー準位間のギャップを測定することで、チームは850キロヘルツの結合強度を算出しました。この強い結合は、結晶が単にマイクロ波場の中に受動的に置かれているのではなく、変換に必要な量子交換に積極的に参加していることを裏付けました。

チームはまた、実際にどの程度の数の原子がプロセスに参加しているのかについても調査しました。マイクロ波信号のパワーを上げていくことで、パワーを上げても変換が増加せず、むしろ信号が低下する地点があることを発見しました。この飽和点は、原子が完全に励起され、それ以上エネルギーを吸収できなくなったことを示しています。この挙動から、結晶内の原子のうち、わずか千分の一程度しか、ある瞬間には使用されていないと推定されました。これは、現在のセットアップが材料の持つポテンシャルをフルに活用できていないことを示唆しており、おそらくレーザービームが広すぎることや、マイクロ波場が広い範囲に広がっていることが原因と考えられます。

将来を見据えて、研究者たちは自らのデータを用いて、システムを最適化した場合に何が起こるかを計算しました。彼らは、結晶内のイッテルビウム濃度を5ppm（百万分の5）から50ppmに上げるだけで、効率を大幅に高められることを見出しました。また、レーザービームをより鋭く集束させ、共振器の電気的接続を改善することで、さらなる向上が得られることも示唆しました。これらの計算に基づき、彼らは、これらの調整を行うことで、内部効率が10のマイナス4乗まで上昇すると予測しています。これは依然として小さな数値ではありますが、現在の結果と比較して1000倍の改善を意味しており、技術を実世界の量子ネットワークで利用可能なレベルへと近づけるものです。

この研究は、イッテルビウムをドープした結晶が、他の材料を悩ませる磁場の影響を受けずに機能するという点で、量子変換の実行可能な候補であることを示しています。研究者たちは、基礎的な物理学が機能していること、原子がマイクロ波場と強く結合できること、そして変換が連続的に起こり得ることを証明しました。現在の効率は低いものの、改善への道筋は明確です。結晶組成と光学セットアップを洗練させることで、このプラットフォームは、将来の強力な量子コンピュータが光の言語を話し、グローバルな量子インターネットへと接続するための架け橋として、最終的に機能することができるはずです。