阪大,量子ドットによる高効率量子中継技術を開発

大阪大学の研究グループは,表面プラズモンアンテナを作製して表面プラズモン効果を利用することで,効率よく量子ドットへ光子を照射できる方法を提案し,シミュレーションから効率上昇を実証した(ニュースリリース)。

今後,IoTの発展などにより,社会で扱う情報量は爆発的に増え,個人情報など情報の秘匿は極めて重要になる。これを解決するには盗聴されない通信技術が必要となり,量子暗号通信が絶対に安全な情報通信手段と期待され,研究開発が進んでいるが,既存ファイバー通信網での長距離化に課題があり,まだ実用に至っていない。

この解決法の一つが量子中継技術で,その基盤技術の一つに光子と固体中の量子ビットの間の量子情報の変換があるが,その方式やハードとしての量子ビットも決まっていない。

そこで研究グループは半導体量子ドットの電子スピンが量子中継の有力なハードであることを示し,量子中継の有効な方式を提案することで,近年の量子コンピュータ開発と同様に量子情報通信実用化の研究を加速させることを目指している。

様々な技術課題があるが,その一つに,光子から量子ビットへの変換効率がある。これは最終的な量子情報の伝送レートにかかわる問題。しかし量子ビットは一般的には大きさが小さいため光子1個と効率よく結合させることは容易ではなく,共通の課題の一つだった。

研究グループは今回,半導体基板の表面から100nm程度の深さに電界で形成された量子ドットの上に,ブルズアイ型の表面プラズモンアンテナを作製。アンテナの中央に位置する量子ドットへ効率よく光を集める一種のレンズの効果により,効率よく光子を量子ドットへ照射できる技術を開発した。シミュレーションではプラズモンアンテナがない従来の素子に比べ50倍以上の高率上昇が見込めることがわかったという。

量子ドット中の電子スピンを使った量子通信の基盤技術が実現できれば,量子通信の実現を一気に加速させ,絶対に安全な情報通信技術と安全な社会に貢献することができる。また,研究グループが提案した表面プラズモンアンテナは,半導体量子ドットで特に有効だが,その他の量子ビットにも適応できるので,長距離量子情報通信における伝送レートの向上に広く応用され,安全で安心な社会の基盤技術に貢献することが期待されるとしている。

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