横国大ら,量子ネットワーク用高輝度通信波長量子光源を開発

横浜国立大学は,中国Jinan Institute of Quantum Technology,日本大学,分子科学研究所,神奈川大学と共同研究を行ない,量子通信長距離化に必須の高輝度光源開発に成功した(ニュースリリース)。

量子通信は完全な情報セキュリティを保証する通信方式。インターネットを初めとした現状の通信への付加のみならず,急速に開発が進んでいる量子コンピュータへのクラウド化の安全性保証にも適用可能な,次世代基盤通信技術として期待される。

数100km-1000kmを超える長距離量子通信実証が待望されているが,まだ課題が山積している。現在実証されている最長距離は光ファイバー通信で400km程度,人工衛星を用いた通信では1200km程度。これ以上の長距離化には,量子中継という中継技術が必要になる。中継には,遠方の中継ノードに搭載される量子メモリー間にエンタングルメントと呼ばれる量子相関を共有する必要がある。

そのために複数の量子技術が必要であり,例えば1:量子光源,2:量子メモリー,3:光源-メモリー間インターフェース技術などがある。これらの技術を単一システムで実装することは,量子中継器に向けた大きなステップだが,光源-メモリー間をつなぐには,光源のスペクトル幅が広いなどの制約により,これまで1-3技術を通じた量子中継用技術の統合がほとんど研究されて来なかった。

今回,研究グループは光共振器を用いて通信波長量子光源(2光子源)開発を実施し,量子メモリー物質との結合効率を従来より大幅に上昇させる光源開発に成功した。中継で用いる光源には,量子レベル(一度にくる光子数が1)である必要がある反面,高通信レートを可能にし量子メモリーの狭スペクトルに対して高輝度をもつという性質が両立する必要がある。

光共振器内2光子発生による共振器増強効果によって、これまでの通信波長でメインとして使われる1.5μm近辺で開発された2光子源として世界最小スペクトル幅,かつ過去開発された全ての波長帯域における狭スペクトル2光子源において世界最高スペクトル輝度を示した。

今後は,今回開発した光源と高効率で結合する量子メモリー開発を行ない,すでに開発中のインターフェース技術を通じて光源と接続することで,より長距離の量子通信実証に向けて取り組んでいく予定だとしている。

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