東工大ら,量子ネットの鍵「同一フォトン」を生成

東京工業大,物質・材料研究機構,産業技術総合研究所,量子科学技術研究開発機構は,量子ネットワーク応用が期待されているダイヤモンド中のスズ-空孔(SnV)中心において,複数のSnV中心から発光波長および発光線幅がほぼ同じである同一なフォトンを生成することに成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンド構造に異種元素を導入した材料は,量子ネットワークノードと呼ばれる送受信および中継点の各点をなす固体量子光源として期待されている。研究グループでは,IV族元素を用いることで,優れた光学特性およびスピン特性(量子状態のメモリ時間)を両立することが可能になることを示してきた。

中でも,重いIV族元素であるSnを用いたSnV中心は,SiやGeを用いた量子光源よりも高い温度で量子状態を保存するためのスピン特性が優れるという特長を有している。スピン特性は,量子ネットワークにおける情報伝達においてその情報の保持を担うものであり,希釈冷凍機を必要としない温度での量子情報保持は実用上重要となる。

また,量子もつれ生成のための光学特性としては,同一の発光波長および発光線幅を有する複数の量子光源の形成が重要となる。しかしながら,母体材料であるダイヤモンドの格子による歪みによって容易に各量子光源の発光波長がずれてしまい,同一の発光波長および発光線幅を有するSnV中心を複数形成させることは実現されていなかった。

今回,ダイヤモンド基板への18MeVという高エネルギーでのSnイオン注入後に,高圧下において2,100℃で加熱処理を行なうことで高品質SnV中心を形成し,複数のSnV中心から発光波長および発光線幅がほぼ同じであるフォトンを生成することに成功した。

検出器の分解能のため,SnV中心からの発光(PL)スペクトルは,真の発光波長および発光線幅を評価することができない。そこで,高精度波長可変レーザーおよび波長計を用いて,発光励起分光(PLE)測定を実施した。

その結果,今回作製したSnV中心を持つダイヤモンド試料は,異なるサンプル間においても同一の性質のフォトンを生成できることを確認した。このことは材料の量産において,品質の安定につながると考えられるという。

研究グループは今後,この高品質SnV中心を用いることで,離れた位置にあるSnV中心間の2光子干渉計測およびスピン特性と合わせた量子もつれ形成へと研究を進展させていく。この成果は,SnV中心を用いた量子ネットワークノード形成への重要なブレークスルーであり,量子中継器による長距離量子ネットワーク実現へつながることが期待できるとしている。

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