量子通信：分子、希土類元素、光

量子情報技術は、量子力学に基づいた新しい情報技術であり、データに含まれる物理情報を符号化、計算、伝送する。量子システム量子情報技術の発展と応用は、私たちを「量子時代」へと導き、より高い作業効率、より安全な通信手段、より便利で環境に優しいライフスタイルを実現します。

量子システム間の通信効率は、光との相互作用能力に依存します。しかし、光の量子特性を最大限に活用できる材料を見つけるのは非常に困難です。

最近、パリ化学研究所とカールスルーエ工科大学の研究チームは共同で、希土類元素のユーロピウムイオン（Eu³+）をベースとした分子結晶が量子光学システムに応用できる可能性を実証しました。このEu³+分子結晶の超狭線幅発光は、光との効率的な相互作用を可能にし、重要な価値を持つことが分かりました。量子通信そして量子コンピューティング。

図1: 希土類ユーロピウム分子結晶に基づく量子通信

量子状態は重ね合わせることができるため、量子情報も重ね合わせることができます。1つの量子ビットは0から1までの様々な状態を同時に表現できるため、データをバッチ処理で並列処理できます。その結果、量子コンピュータの計算能力は従来のデジタルコンピュータに比べて飛躍的に向上します。しかし、計算処理を実行するには、量子ビットの重ね合わせが一定期間安定して維持される必要があります。量子力学では、この安定期間はコヒーレンス寿命と呼ばれます。複雑な分子の核スピンは、環境の影響が効果的に遮断されているため、長い乾燥寿命を持つ重ね合わせ状態を実現できます。

希土類イオンと分子結晶は、量子技術に利用されてきた2つのシステムです。希土類イオンは優れた光学特性とスピン特性を有していますが、量子技術に統合することは困難です。光学機器分子結晶は集積化が容易ですが、発光バンドが広すぎるため、スピンと光の間の信頼性の高い接続を確立することが困難です。

本研究で開発された希土類分子結晶は、レーザー励起下でEu³+が核スピンに関する情報を担う光子を放出するという点で、両者の利点を巧みに組み合わせています。特定のレーザー実験により、効率的な光／核スピン界面を生成できます。この基盤に基づき、研究者らは核スピン準位のアドレス指定、光子のコヒーレントな蓄積、そして初の量子演算の実行を実現しました。

効率的な量子コンピューティングには、通常、複数の量子ビットのエンタングルメントが必要となる。研究者らは、上記の分子結晶中のEu³+が漂遊電場結合によって量子エンタングルメントを達成し、量子情報処理を可能にすることを実証した。この分子結晶には複数の希土類イオンが含まれているため、比較的高い量子ビット密度を実現できる。

量子コンピューティングのもう一つの要件は、個々の量子ビットのアドレス指定可能性です。本研究における光アドレス指定技術は、読み取り速度を向上させ、回路信号の干渉を防ぐことができます。本研究で報告されたEu³+分子結晶の光コヒーレンスは、先行研究と比較して約1000倍向上しており、核スピン状態を特定の方法で光操作することが可能です。

光信号は、量子コンピュータを遠隔量子通信に接続するための長距離量子情報伝送にも適しています。さらに、光信号強度を増強するために、新しいEu³+分子結晶をフォトニック構造に組み込むことも検討できます。本研究は、希土類分子を量子インターネットの基盤として用いており、将来の量子通信アーキテクチャに向けた重要な一歩を踏み出しています。