横国大ら,量子インターネットの要素技術開発に成功

横浜国立大学,中国Jinan Institute of Quantum Technology,LQUOMは,量子通信長距離化に必須の量子中継器用光源からの光子を10km光ファイバ伝送後量子メモリへ保存/再生する技術開発に成功した(ニュースリリース)。

量子インターネットは,量子もつれの共有能力が基礎となる。数100kmを超える光ファイバネットワークを用いた量子通信によって,この量子もつれ共有の長距離化実装が待望されているが,長距離化には量子中継技術が必要になる。

量子中継は,遠方ノードにある量子メモリ間に量子もつれ(エンタングルメント)と呼ばれる量子相関を共有する手法で,①:量子もつれ光源,②:量子メモリ,③:①と②をつなぐインターフェース技術(波長変換,周波数安定化)などが構成要素となる。

これらの技術を単一システムで実装することが,多ノードからなる量子中継器実装に向けて必須となる。また,量子通信の速度を高めるためには,現在の光通信でも使われている多重化の導入が強く望まれている。

しかしながら,量子光源-量子メモリ間をシームレスにつなぐこと,および多重化システムでそれを実現することには,量子光源や量子メモリなどの要素技術の制約により,①~③の統合が困難だった。

今回,研究グループは①:光共振器を用いた通信波長量子光源,②:周波数多重を可能にする量子メモリ(希土類添加物質Pr:YSO),③:通信波長‐量子メモリ波長間の波長変換およびそれらの遷移周波数(波長)を常時安定化する周波数安定化・制御システムを開発。量子光源からの2光子を10㎞光ファイバ伝送後,波長変換し,量子メモリへ保存・再生することに成功した。

量子光源は,光共振器内2光子発生によって通信波長世界最小スペクトル幅をもち,光共振器の性質によって自動的に周波数多重性をもつ。一方,量子メモリは希土類添加物質がもつ吸収スペクトルの広がりによって,その内部に多数の量子メモリとして機能するチャンネルを作成でき,その結果周波数多重量子メモリとして動作させることができる。

そして,周波数多重メモリの1量子メモリ領域は光領域としては非常に狭い数MHz程度のスペクトル幅しか持たない。そこに対して,量子光源,メモリ制御レーザー,波長変換励起レーザーといった全要素を安定的に維持する技術が必要だった。

研究では,周波数基準となる光コムを開発し,その基準を用いすべての光を安定化することで,長期安定動作する長距離量子光源‐量子メモリ接続システムを周波数多重可能な量子システムとして初めて実現した。

研究グループは今後,開発システムを複数つなげる量子中継技術の実証を通じて,量子インターネットの実装へと取り組んでいくとしている。

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