量子光検出器の新技術

新しい技術量子光検出器

世界最小のシリコンチップ量子光検出器

最近、英国の研究チームが量子技術の小型化において重要なブレークスルーを達成し、世界最小の量子光検出器をシリコンチップに集積することに成功しました。「Bi-CMOS電子光子集積回路量子光検出器」と題されたこの研究は、Science Advances誌に掲載されています。1960年代、科学者や技術者は初めてトランジスタを安価なマイクロチップ上に小型化し、情報化時代の幕開けを告げる革新をもたらしました。そして今、科学者たちは初めて、人間の髪の毛よりも細い量子光検出器をシリコンチップ上に集積することを実証し、光を利用する量子技術の時代へと一歩近づきました。次世代の高度な情報技術を実現するには、高性能な電子・光子機器の大規模製造が不可欠です。既存の商用施設で量子技術を製造することは、世界中の大学の研究や企業にとって継続的な課題です。量子コンピュータを構築するだけでも多数の部品が必要となるため、高性能な量子ハードウェアを大規模に製造できることは量子コンピューティングにとって不可欠です。

英国の研究者らは、わずか80ミクロン×220ミクロンの集積回路面積を持つ量子光検出器を実証した。この小型サイズにより、量子光検出器は非常に高速になり、高速通信の実現に不可欠となる。量子通信光量子コンピュータの高速動作を可能にします。確立され市販されている製造技術を用いることで、センシングや通信といった他の技術分野への早期応用が可能になります。このような検出器は量子光学の幅広い用途に利用されており、室温で動作可能で、量子通信、最先端の重力波検出器などの極めて高感度なセンサー、そして特定の量子コンピュータの設計に適しています。

これらの検出器は高速で小型であるにもかかわらず、非常に高感度です。量子光を測定する鍵となるのは、量子ノイズに対する感度です。量子力学は、あらゆる光学システムにおいて微小な基本レベルのノイズを生成します。このノイズの挙動から、システム内を伝送される量子光の種類に関する情報が得られ、光センサーの感度を決定し、量子状態を数学的に再構築することができます。この研究では、光検出器を小型化・高速化しても、量子状態を測定する感度は損なわれないことが示されました。今後、研究者たちは、他の革新的な量子技術ハードウェアをチップスケールに統合し、新しい検出器の効率をさらに向上させる予定です。光検出器様々な用途でテストを実施しています。検出器をより広く利用できるようにするために、研究チームは市販の噴水器を用いて製造しました。しかし、研究チームは量子技術を用いたスケーラブルな製造の課題に継続的に取り組むことが重要であると強調しています。真にスケーラブルな量子ハードウェア製造を実証しなければ、量子技術の影響とメリットは遅れ、限定的なものになってしまいます。この画期的な進歩は、量子技術の大規模応用を実現するための重要な一歩となります。量子技術量子コンピューティングと量子通信の未来は無限の可能性に満ちています。

図2: 装置原理の概略図。