東北大とNICTが量子もつれ光子ルーターを開発、動作実証に成功：低損失で光子の偏光状態に依存せず

東北大学と情報通信研究機構（NICT）は、量子もつれ光子の伝送経路を低損失で偏光状態によらず切り替えられる「光子ルーター」を開発し、その動作実証に成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

新たに「電気光学スイッチ」と「光学干渉計」を開発

　東北大学と情報通信研究機構（NICT）は2025年9月、量子もつれ光子の伝送経路を低損失で偏光状態によらず切り替えられる「光子ルーター」を開発し、その動作実証に成功したと発表した。

　量子コンピュータや量子暗号通信などを実現するには、量子情報デバイス間をつなぐ量子ネットワークを構築する必要がある。ここで重要となるのが、単一光子や量子もつれ光子の伝送経路を自在に切り替えるためのルーティング技術である。ところが、既存の光ルーターや光スイッチは損失が大きく、偏光状態が維持されないという課題があった。

　研究グループは今回、新たに開発した「電気光学スイッチ」と「光学干渉計」を組み合わせて「光子ルーター」を実現した。電気光学スイッチは、これまで偏光を切り替えるために用いられてきた2個の電気光学結晶を、互いに90度回転させて配列した。これによって、電気光学結晶を通過する光子がどのような偏光状態であっても、印加電圧に応じた同一の位相変化を受ける素子とした。光学干渉計は、全ての光学素子に対し、光子が浅い入射角（5度）になるよう変形させた。

　この結果、最小限の光学素子数で光子ルーターを構成でき、最も低い損失で偏光状態に依存しない光子のルーティング動作が可能となった。

光子ルーターの概念図［クリックで拡大］ 出所：東北大学、NICT

光子ルーターの実験装置模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学、NICT

　実験では、光通信で用いられる波長域にある単一光子源や量子もつれ光子源を用い、試作した光子ルーターを評価した。この結果、ルーター通過による単一光子の損失は、1.3％（0.06dB）で、光子の伝送経路を切り替える精度は99.3％、光子の偏光が維持される確率は99％以上になることを確認した。

量子もつれ光子（N00N状態）ルーティング前後の2光子干渉の実験結果［クリックで拡大］ 出所：東北大学、NICT

　今回の研究成果は、東北大学大学院理学研究科の金田文寛教授とPengfei Wang大学院生、NICT未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター超伝導ICT研究室の藪野正裕主任研究員らによるものである。