Telecom-band quantum memory with chlorine defects in silicon carbide

インターネットを、ガラス繊維で作られた巨大で高速なハイウェイだと想像してみてください。現在、このハイウェイを走行している「車」（量子情報）の多くは、異なる種類の道路（可視光）向けに作られています。これらの車を光ファイバーのハイウェイに乗せるためには、その色を変えるための、高価で複雑な「翻訳機」を作る必要があります。本論文は、光ファイバーのハイウェイを走る準備が整った状態で誕生し、非常に一般的な材料であるシリコンカーバイド（タフなセラミックスや高出力電子機器に使われるものと同じ素材）の中に構築された、新しいタイプの「車」を紹介しています。

研究者たちの発見を、シンプルな概念ごとに分解して説明します：

1. クリスタルの中の「魔法の不具合」

シリコンカーバイドの結晶を、シリコンと炭ボンの原子で作られた、完璧に整理された都市のグリッド（格子状の街並み）だと考えてください。研究者たちは、このグリッドの中に意図的に「不適合な」原子を落とし込みました。それが塩素原子です。塩素原子がグリッド内の欠陥（空孔）の隣に位置すると、このグリッドの中に、小さくユニークな欠陥が生み出されます。

本論文は、この特定の欠陥が量子メモリとして機能すると主張しています。これは情報を保存（「オン」または「オフ」の状態を持つ小さなスイッチのようなもの）することができ、さらに重要なことに、最初から光ファイバー・インターネットの言語を話すことができます。

2. インターネットの言語を話す（通信帯域）

私たちが知っているほとんどの量子システム（ダイヤモンドの窒素欠陥など）は、「可視光」（明るい懐中電灯のようなもの）で叫びます。そのメッセージを光ファイバーケーブルで送るには、そのメッセージを「赤外光」（通信帯域）に翻訳する機械を使う必要があります。これは、長距離通信における標準的な言語です。後からタイヤを交換する必要があるのではなく、工場を出る時点で、まさにハイウェイに必要な正確なタイヤを装備した状態で出てくる車を見つけたようなものです。

この研究における塩素欠陥は、自然にOバンドおよびCバンドで「話す」ため、特別です。これらは、信号の損失が最も少ない状態でガラスファイバーを最もよく通過する、特定の色の光です。

のですが 3. 「瞬き」と「スピン」

有用なメモリであるためには、欠陥には2つの要素が必要です：

• 効率的に瞬くこと： 研究者たちは、これらの欠陥にレーザーを照射すると、明るく光ることを発見しました。さらに優れたことに、その光の大部分（39%）はノイズとして散乱されるのではなく、純粋な「信号」の色でした。これは、既知の他の量子欠陥と比較して非常に高いスコアです。
• 回転すること： 欠陥の内部には、小さな磁気的な「スピン」（微小な方位磁針のようなもの）が存在します。研究者たちは、室温であっても無線波を使用してこのスピンを制御できることを示しました。これが「メモリ」の部分であり、スピンが向いている方向によって情報を保存するのです。

4. 「ゴースト」と「リアル」な信号

研究者たちは、自分たちが一体何を見ているのかを突き止めるために、探偵のような役割を果たしました。彼らは、独自の小さな「核スピン」（メインの方位磁針の中にある、より小さな方位磁針のようなもの）を持つ塩素の特殊な同位体（塩素35）を使用しました。

無線波が欠陥と相互作用する様子を聴くことで、彼らは複雑な「おしゃべり」を聞き取りました。このおしゃべりは、メインのスピンが塩素の原子核と会話していることを明らかにしました。彼らはこの会話をマッピングし、それが特定の種類の塩素欠陥のコンピュータ・シミュレーションと一致することを発見しました。

しかし、彼らは「ゴースト」信号も見つけました。一部のサンプルでは、塩素とは一致しない他の無線波のパターンが見られました。彼らは、これらが、同じ通信範囲で光る他の未知の欠陥によって引き起こされている可能性が高いと結論付けました。これは、メインの歌手は塩素であるが、背景でノイズを立てている他のバックグラング歌手（未確認の欠陥）がいる合唱団を聴いているようなものです。

5. 「注意力の短さ」という問題

研究者たちは、量子情報がどのくらいの期間保持されるかを見るために、メモリの持続時間をテストしました。彼らは、「スピン」がコヒーレント（情報を保持）している時間が非常に短い、つまり100万分の1秒未満であることを発見しました。

なぜこれほど短いのでしょうか？論文では、スピン自体が自然に不安定なのではなく、欠陥がその電気的な電荷に対して「気まぐれ」であるためだと示唆しています。それは、まるで電気的な電荷の状態（オンとオフ）が素早く切り替わりすぎる（チャージ状態が変わる）電球のようなものです。この「ちらつき」が、メモリの信号が長く続く前に消滅させてしまうのです。研究者たちは、もしこのちらつきを止めることができれば、メモリはもっと長く持続するだろうと述べています。

6. 欠陥の「二階部分」

論文はまた、これらの欠陥に「二階」があることも発見しました。より強力なレーザーパワーを照射すると、これらは異なる、より短い波長の光を放出します。研究者たちは、これは同じ欠陥のより高いエネルギー状態に由来するものであり、まるで家の中で異なる光を放つ「二階の部屋」のように機能していると考えています。これは、欠陥の仕組みがいかに複雑であるかを示しており、これまで考えられていたよりも精緻なものであることを示唆しています。

要約

要約すると、本論文は、シリコンカーバイドの中に捕捉された塩素原子からなる、新しい「量子メモリ」を紹介しています。

• 良いニュース： それは自然に光ファイバーケーブルの言語を話し、明るく、無線波で制御することができます。
• 難点： メモリの持続時間は、欠陥が電気的な電荷について混乱してしまうために、現在は非常に短くなっています。これにより、信号がすぐに消えてしまいます。
• 判定： メモリをより長く持続させるために、電気的な電荷を安定させる方法を見つけ出せれば、これは将来の量子ネットワークを構築するための非常に有望な候補です。