大阪大学大学院基礎工学研究科の山本俊准教授および生田力三助教らの研究グループは、大阪大学井元信之名誉教授、情報通信研究機構（NICT）量子ICT先端開発センター早坂和弘研究マネージャーおよび英サセックス大学のマティアス・ケラー教授らと共にトラップされた単一イオンからの光子を光ファイバーで長距離に送信することに世界で初めて成功しました。

強力な計算機からの攻撃に対しても解読されることのないセキュリティ通信を提供する量子暗号 は、光子の損失による通信距離の限界が課題となっていました。この損失を軽減し、効率的な長距離通信を行うには、光ファイバー通信網に量子力学的な情報処理を行う量子中継器 を設置する必要があります。トラップイオンはこの量子中継を担うことができる演算装置の候補ですが、光子でアクセス可能な光の波長が光ファイバー通信に適合しないため、長距離量子情報通信での利用が困難でした。

本研究グループは、単一イオンからの単一光子を、新しく開発した波長変換器によって光ファイバー通信波長に変換することで、効率的に単一光子を長距離光ファイバーで送信できることを明らかにしました。

この波長変換器を利用することで、単一イオンを利用した長距離量子ネットワークの実現に向けた量子メモリ や量子中継器の開発に役立つことが期待されます。

本研究成果は、2018年5月15日（火）に米国科学誌「Physical Review Letters」（オンライン）に掲載されました。

図1　トラップイオンからの光子の波長変換および送信

現在の暗号通信は計算機の能力が飛躍的に向上した場合に、セキュリティを確保できるかが明確ではありません。一方、量子暗号通信は任意の計算機に対するセキュリティを可能にすることがわかっています。しかし、光ファイバー通信を利用して長距離で実現するためには、技術的に克服しなければならない課題が存在します。特に、量子情報のキャリアである光子のファイバーでの損失を低減することは重要です。現在の通信で使われる中継器では量子情報が壊れてしまうために、量子力学の原理で動作する量子中継器が必要となります。いくつかの方式がありますが、どの方式でも光子の量子情報を壊さずに損失を検知する量子演算が重要になります。トラップされたイオンは量子コンピューター を実現する演算が全て可能な量子情報処理媒体の一つであり、光の量子状態を読み書きして記憶し、量子演算をすることで、量子中継に必要な処理を実現できます。しかし、これまで実現しているトラップイオンは光ファイバー通信波長の光を読み書きできるものではありませんでした。

山本俊准教授らのグループと情報通信研究機構（NICT）早坂和弘研究マネージャーらのグループは、カルシウムイオンの共鳴波長である866nmの光子を光ファイバー通信波長である1550nm帯へ変換する高効率で低雑音の波長変換器を実現しました。これにより、従来問題となっていた波長ギャップを埋めることが可能になり、カルシウムイオンに対して通信波長の光子を読み書きすることが可能になります。この単一光子波長変換器を英サセックス大学の光共振器結合したカルシウムイオントラップに組み込むことで、カルシウムイオンからの単一光子を通信波長帯(1550nm帯)へ変換する実験に成功しました。866nmでは10kmも進むと1000分の1の光子しか残らないのに対して、1550nm帯では約15kmまで半分の光子が残ります。

この波長変換による損失低減によって、トラップイオンでは世界初となる10kmの単一光子ファイバー通信を実現しました。変換効率を加味しても、866nmの単一光子の直接送信を十分に超える効率となり、波長変換器の優位性が明確に示される結果となりました。

本研究成果により、トラップされたカルシウムイオンが光ファイバー通信波長の光子によりアクセス可能であることを示すことができました。開発した波長変換器を更に改良することで、カルシウムイオンと量子もつれ にある光子を光ファイバー通信波長に変換し、量子ネットワークを形成することが考えられます。更にカルシウムイオンを演算装置として、光の量子状態を操作する量子情報処理を行うことができるようになれば、長距離量子暗号通信を可能にする量子中継の実現が期待できます。

本研究成果は、2018年5月15日（火）に米国科学誌「Physical Review Letters」（オンライン）に掲載されました。
タイトル：“Long-distance single photon transmission from a trapped ion via quantum frequency conversion”
著者名：Thomas Walker, Koichiro Miyanishi, Rikizo Ikuta, Hiroki Takahashi, Samir Vartabi Kashanian, Yoshiaki Tsujimoto, Kazuhiro Hayasaka, Takashi Yamamoto, Nobuyuki Imoto and Matthias Keller
DOI:10.1103/PhysRevLett.120.203601

なお、本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」研究領域における研究課題「グローバル量子ネットワーク」（研究代表者：井元信之）および研究課題「オンチップ・イオントラップによる量子システム集積化」（研究代表者：田中歌子）の一環として行われました。また、本研究は、文部科学省科学研究費補助金基盤研究（A）、基盤研究（B）、新学術領域研究、国際共同研究強化、二国間交流事業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。