理科大，光ファイバー内に直接単一光子を生成

東京理科大学の研究グループは，光ファイバーに添加されている希土類原子集団のうち，単一の希土類原子だけを狙い撃ちして励起することで，光ファイバー内に直接単一光子を生成し，効率的に導波させることに成功した（ニュースリリース）。

量子コンピュータの発達により，既存の通信システムでは安全性の確保が困難になる事態が予想されており，情報の絶対的な安全性を確保するために，量子暗号通信の重要性が高まっている。光を用いた量子通信の実現のためには，光子1つ1つを制御できる単一光子光源の開発と，生成した単一光子を遠隔地へ伝送する仕組みの構築が重要となる。単一光子は，光ファイバーを用いることで少ない損失で遠方へ伝送することが可能であるため，光ファイバーと一体化した単一光子光源は，光量子通信の鍵を握るデバイスとなることが期待されている。

研究グループは，これまで光ファイバーの内部に添加された希土類原子を利用して，室温下で単一光子を生成する手法を提案していた。しかし，この手法では対物レンズを用いて光ファイバーの側面から単一光子を集光していたため，生成した単一光子を1度光ファイバーの外部に取り出し，再度光ファイバーに接続して導波させる必要があり，単一光子を伝送する効率が小さいという問題があった。また，生成した単一光子の集光効率は対物レンズの性能により制限されてしまうという原理的な課題も残されていた。

今回の研究では，光ファイバーの側面から励起光を入射することで，ファイバー内の希土類原子を1つだけ選択的に励起し，光ファイバーを通して単一光子を集光する手法を提案した。これにより，光ファイバー内部に直接単一光子を生成し，光子を1度も光ファイバーの外部に取り出すことなく，効率的に伝送することが可能となるとしている。

研究では，単一光子を生成する希土類元素としてネオジム(Nd3+)を使用。Nd3+イオンは近赤外～光ファイバー通信波長帯まで幅広い発光波長を持つため，1つの元素で目的に応じた発光波長を選択することが可能となる。Nd3+イオンが添加された光ファイバーに加熱・延伸加工を施し，光ファイバー内に単一のNd3+イオンが分離されている箇所を有するデバイスを作製した。

作製したデバイス内の単一のNd3+イオンに光ファイバーの側面から励起光を入射し，Nd3+イオンから放出された光子を同じ光ファイバーで集光して光子相関測定を行ない，単一光子が生成されていることを実験的に示した。また，光子相関測定の結果から，この研究の光ファイバーによる集光手法が，従来法よりも高い効率で光子を集光できることを示した。

これまで光量子通信のための単一光子光源と光通信ネットワークは別々の技術として開発が進められてきた。しかし，この成果によって光源とネットワークがすべて光ファイバーで統合された光量子通信が可能になるとしている。