大阪大学大学院基礎工学研究科 井元信之教授、NTT物性科学基礎研究所 向井哲哉主任研究員、情報通信研究機構(NICT)未来ICT研究所 三木茂人主任研究員および東京大学大学院工学系研究科 小芦雅斗教授の 研究グループは、量子情報処理に必要な量子メモリへの書込・読出を光通信技術を利用して実現することに世界で初めて成功しました。これは、量子セキュリティ通信の長距離化を実現する中核テクノロジーとして長年実現を期待されてきたものです。

本研究により、冷却Rb原子 による量子メモリと量子相関 をもった光子を光ファイバー通信によって送信し、離れた量子メモリの間に量子相関を実現し、それにより長距離量子情報通信を実現する新しい道筋となります。

本研究成果は、米国学術誌「Optica」のオンライン版に10月31日(月)に掲載されました。

現在のコンピューターや通信技術において、メモリの果たす役割は大きく、ブラウザーのキャッシュのように効率的な通信には欠かすことができません。量子情報通信においても量子状態を蓄える量子メモリの役割は大きく、現在まで様々な物理系を利用して実験されてきました。

しかし、量子メモリの読み書きに使われる光は可視光付近(780nm)の短い波長のものであり、光ファイバー通信で用いられる近赤外(1.5μm帯)光とは大きく異なります。量子状態は光にのせて遠くに運ぶしか方法がなく、可視光付近の光はファイバー中を進むにつれて急速に失われ、長距離通信が不可能です。近赤外では約15km まで半分の光子が残っているのに対して、可視光付近では10kmも進むと1000分の1の光子しか残りません。そのため、量子メモリは実現していても、その利用ができない状況でした （図1） 。

研究グループは、量子状態を壊さない高性能な波長変換器 を非線形光学効果である和・差周波発生 を用いて開発するとともに、冷却Rb原子を利用した量子メモリを開発し、量子状態の書込・読出(モニタリング)に用いる可視光付近の波長780nmの光子を、光ファイバーで用いられる近赤外光(1.52μm)へ変換し、高性能な超伝導単一光子検出器(SSPD) を用いて検出することで、冷却Rb原子中の1原子の励起を通信波長光子の検出により明確に確認することに成功しました （図2） 。

現在までに考えられている長距離量子情報通信システムのアーキテクチャーは、各中継地点に分散した量子メモリの量子状態を光通信を使って交換するものです （図3） 。本研究により、光ファイバー通信技術を利用して、この量子メモリ間通信を構築する新しいステージに進み、グローバルな量子セキュアネットワークへの研究の加速が期待できます。

本研究成果は、米国学術誌「Optica」のオンライン版に10月31日(月)に掲載されました。
論文名: Heralded single excitation of atomic ensemble via solid-state-based telecom photon detection
誌名: Optica, DOI number: 10.1364/OPTICA.3.001279
著者: Rikizo IKUTA, Toshiki KOBAYASHI, Kenichiro MATSUKI, Shigehito MIKI, Taro YAMASHITA, Hirotaka TERAI, Takashi YAMAMOTO, Masato KOASHI, Tetsuya MUKAI, Nobuyuki IMOTO

また、本研究は科学研究費補助金および大阪大学大学院基礎工学研究科附属未来研究推進センターの支援により行われました。

図1

図2

図3