量子メモリへの書き込み/読み出し、光通信で成功：長距離量子情報通信に道

大阪大学、情報通信研究機構（NICT）などの研究グループは2016年11月、光通信技術を利用した量子メモリへの書き込み／読み出しに「世界で初めて成功した」と発表した。

[竹本達哉，EE Times Japan]

大阪大学、NICTなどの研究グループ

　大阪大学、情報通信研究機構（NICT）などの研究グループ^＊）は2016年11月17日、光通信技術を利用した量子メモリへの書き込み、読み出しを実現することに成功したと発表した。阪大などによると「世界で初めての成功」という。

＊）研究グループは、大阪大学大学院基礎工学研究科教授 井元信之氏、NTT物性科学基礎研究所主任研究員 向井哲哉氏、NICT未来ICT研究所主任研究員 三木茂人氏、東京大学大学院工学系研究科教授 小芦雅斗氏で構成。

　現在、長距離量子情報通信システムは、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アーキテクチャが考えられている。そのため、量子情報通信において量子状態を蓄える量子メモリは、大きな役割を果たすとされる。

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のイメージ （クリックで拡大） 出典：情報通信研究機構

長距離通信に向かない“短い波長の光”

　一般に、量子メモリの書き込み／読み出しに使われる光は、波長780nm程度の可視光付近の短い波長の光可視光付近の光だ。ただ、可視光付近の光はファイバーの中を進むに連れて急速に失われ、長距離通信が不可能だ。光ファイバー通信で用いられる波長1.5μm帯の近赤外光は、光ファイバー中を約15km進んでも半分の光子が残るのに対し、可視光付近では10kmも進むと1000分の1程度の光子しか残らないという。そのため、量子メモリは実現していても、それを利用できていない状況だった。

これまでの量子情報通信システム実験のイメージ （クリックで拡大） 出典：情報通信研究機構

「和・差周波発生」を用いた高性能波長変換器

　こうした状況で研究チームは、非線形光学効果である「和・差周波発生」を用いて、量子状態を壊さない高性能な波長変換器を開発。加えて、冷却Rb（ルビジウム）原子を利用した量子メモリを開発した。

　開発した量子メモリ、波長変換器を用いて、量子状態の書き込み／読み出し（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波長1.52μmの近赤外光へ変換。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たという。

今回の量子情報通信システム実験のイメージ （クリックで拡大） 出典：情報通信研究機構

　研究グループは今回の成果について「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る」とコメントしている。