Long-lived quantum memories with rare-earth ions doped in crystals

情報が電線の中を流れる電流によってではなく、個々の光の粒子によって運ばれる世界を想像してみてください。これらの粒子は光子（フォトン）と呼ばれ、解読不可能なセキュリティと前例のない計算能力を約束する、新しい種類のインターネットにとって理想的なメッセンジャーです。しかし、光には致命的な欠点があります。それは、止まることができないということです。一度フォトンの列が光ファイバーケーブルに送り出されると、失われるか吸収されるまで進み続けます。待つことはできません。このことが、グローバルなネットワークの構築を不可能にしています。なぜなら、信号は距離に応じて弱まり、従来の信号のようにコピーして増幅することも、量子信号は情報を破壊することなくコピーできないからです。これを解決するために、科学者たちは、飛んでいるフォトンの動きを捉え、静止させ、後で正確に元の姿のまま放出する方法を見つけなければなりません。この装置は「量子メモリ」と呼ばれます。それは光の「一時停止ボタン」として機能し、ネットワークが操作を同期させ、その到達範囲を大陸規模へと広げることを可能にします。

長年、研究者たちは、この一時停止ボタンとして機能する完璧な材料を探索してきました。彼らは、固体であり、扱いやすく、量子状態が消えてしまうことなく長時間保持できるものを必要としていました。有望な候補の一つが、結晶の世界から現れました。それが希土類イオンです。これらは、ユロピウムやプラセオジムといった元素の原子が、結晶格子の中に埋め込まれたものです。これらの原子のユニークな点は、その外層がシールド（盾）のように機能し、結晶内のノイズの多い環境から内側の電子を保護することです。この保護により、驚くほど長い期間、量子状態を保持することができます。しかし、この天然のシールドがあっても、環境は依然として干渉してきます。結晶内の原子のランダムな運動や地球自身の磁場によって引き起こされる微細な磁場の変動が、蓄えられた情報をかき乱し、消失させてしまうのです。

中国科学技術大学の研究チームは、この干渉を制御するという大きな一歩を踏み出しました。最近の実験に関する包括的なレビューの中で、彼らは研究者がどのようにして量子メモリの寿命を数秒から数分へ、そして場合によっては数時間へと延ばすことに成功したかを説明しています。この成功の鍵は、2つの巧妙な戦略にあります。第一に、特定の磁場強度において、原子が磁気ノイズに対して自然に免疫を持つ状態であることを特定しました。それはまるで、原子が磁気の押し引きが完璧に打ち消し合う「スイートスポット」を見つけたかのようです。第二に、原子がドリフト（漂流）し始めたとき、研究者は一連の高速な無線周波数パルスを適用します。これらのパルスは、原子が道を見失う前に常に位置を再調整する「優しいつつき」のように機能し、情報をその場に凍結させる効果があります。

これらの成果は、それぞれ異なる難易度を表す3つの明確な方法で測定されています。最初の指標は「スピンコヒーレンス時間」であり、これは単純に、原子がバラバラになり始める前にどれだけの期間、量子的整列を保持できるかを示すものです。ユロピウムイオンをドープした結晶を用い、磁気のスイートスポットと再整列パルスを適用することで、研究者たちは記録的な約6時間というコヒーレンス時間を達成しました。これは、この種の材料を用いた従来のどの実験よりも、原子が同期を維持した時間がはるかに長いことを意味します。

二つ目の指標は「光ストレージ時間」です。これは、実際の光のビームを捕捉し、原子内の振動として蓄え、その後再び光として放出できる時間の長さです。プラセオジムイオンを用いた以前の実験では、科学者たちは光を約42秒間保存することができました。より安定したユロピウム結晶に切り替え、特定の原子エネルギー準位のパターンを利用する異なる保存方法を用いることで、研究者たちはこの時間を52分以上に延ばしました。彼らは、光のパルスをほぼ1時間保持し、その波形を損なうことなく取り戻せることを実証し、情報が乱されていなかったことを証明しました。

最も困難な課題であり、実用的な量子インターネットの実現に最も近いのが、「量子ストレージ時間」です。これには、単なる明るい光のビームではなく、単一の光の粒子、すなわち単一のフォトンの保存が含まれます。単一のフォトンを保存することは非常に困難です。なぜなら、プロセスが極めて効率的かつ静かでなければならず、余計なノイズが加わると単一のフォトンは失われてしまうからです。以前の試みでは、単一のフォトンを数ミリ秒以上保持することに苦戦していました。しかし、磁気のスイートスポット、再整列パルス、そして保存プロセス中に余計なノイズを発生させない新しい手法を組み合わせることで、Lv氏らを中心とする研究チームは、単一フォトンレベルの入力を27秒以上も保存することに成功しました。この持続時間において、保存されたフォトンの量子的な性質は保持されており、それが単なる古典的な信号ではなく、真の量子メモリであったことが証明されました。

これらの成果は、単なる理論的な節目ではありません。それらは実用的な未来を示唆しています。研究者らは、これらの結晶が現行の技術と互換性がある、つまり小さなデバイスに組み込むことが可能であると指摘しています。これは、「携帯型量子メモリ」への道を開くものです。量子メモリを搭載したデバイスをトラックやドローン、あるいは人工衛星に載せて、遠く離れた都市間、あるいは宇宙を越えて量子情報を運ぶことができるようになります。1時間量子状態を保持できる能力があれば、車両が数百キロメートル移動している間も情報を安全に保持できるため、光ファイバーケーブルが越えられない隔たりを埋めることができます。光を捕捉する効率の向上や装置の小型化といった課題は依然として残っていますが、この研究は、長寿命のソリッドステート量子メモリがもはや遠い夢ではなく、具体的な現実であることを確立しています。