横国大,電子と光子の幾何学的な量子もつれを生成

横浜国立大学の研究グループは,ダイヤモンド中の電子をゼロ磁場環境で制御することで,電子と自然放出される光子の幾何学的な量子もつれの生成に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

量子インターネットの実現には,遠隔地間で量子もつれを生成することと,その量子もつれを様々な量子デバイスに供給する量子インターフェースの技術が必要となる。

ダイヤモンド中の窒素空孔(NV)中心は,量子中継を担う物理系として優れた性質をもつ。しかしNV中心のスピンを制御するために強い磁場を印加しており,異なる量子系との接続が難しい。そこで,ゼロ磁場で動作する遠隔量子もつれ生成の技術の開発が課題となっている。

量子もつれは,電子スピンと軌道に内在するスピン軌道相互作用が起源。この相互作用によって形成される軌道励起準位の1つではスピンと軌道がもつれているため,軌道が自然放出した光子はスピンと自然にもつれることができる。これを量子もつれ発光と呼ぶ。磁場や電場など余計な外場の無い環境では励起準位が理想的な状態にあるため,高い忠実度の量子もつれが生成できることが期待されていた。

研究グループは独自のスピン量子ビット制御技術で,量子もつれ発光後のスピン量子ビットと光子量子ビットの量子相関測定を可能にし,87%以上の忠実度で量子もつれが生成されていることを示した。

これまでの研究では,印加した磁場により量子もつれが時間とともに変化するため,遠隔量子もつれを生成するためには精密な時間同期が必要。一方,今回の手法は幾何学的な空間自由度を利用しているため量子もつれが時間とともに変化しない。

研究グループが以前発表した,光子からダイヤモンド中の核子への量子テレポーテーション転写を組み合わせれば,従来は必須であった光子の時間,周波数,および空間の精密なモードマッチングを必要としないノイズ耐性のある遠隔量子もつれ生成が可能となる。

さらに研究グループは,マイクロ波光子と通信用光子の偏光状態の条件付きベル測定やマイクロ波光子から通信用光子への偏光状態の量子テレポーテーションが可能であることを示した。

これらの技術を応用すれば,超伝導量子ビットから吐き出されるマイクロ波光子から通信用光子という周波数の大きく異なる量子への変換が原理的に可能。通信用光子はマイクロ波光子に比べてエネルギーが5桁大きく,光ファイバーなどを用いて室温中を伝搬しても量子性が壊れない。

一方,GHz帯のマイクロ波は冷却しないと量子性が壊れるため,マイクロ波から通信用光子に変換することで,超伝導量子ビットはシリコン量子ビットの量子状態をそのまま光ファイバーなどで伝送し,異種量子ビット間での量子接続が可能となる。

研究グループは今後,量子中継ノードのシステム実証を行なっていくとしている。

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