量子通信：分子、希土類元素、そして光

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、量子システム量子情報技術の開発と応用は、私たちを「量子時代」へと導き、より高い業務効率、より安全な通信方法、そしてより便利で環境に優しいライフスタイルを実現するでしょう。

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する。しかし、光学的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難しい。

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が、希土類ユーロピウムイオン（Eu³⁺）に基づく分子結晶が光学量子システムへの応用において有望であることを共同で実証しました。彼らは、このEu³⁺分子結晶の超狭線幅発光が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を発見しました。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までのさまざま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することが可能です。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と比較して指数関数的に向上します。しかし、計算を実行するには、量子ビットの重ね合わせ状態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して知られています。複雑な分子の核スピンは、環境が核スピンに及ぼす影響が効果的に遮蔽されるため、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、量子技術で使用されてきた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持っていますが、量子技術に組み込むのは困難です。光学デバイス分子結晶は統合しやすいが、発光帯が広すぎるため、スピンと光の間の信頼できる関係を確立することは難しい。

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運ぶ光子を放出するという点で、両者の利点を巧みに兼ね備えている。特定のレーザー実験を通して、効率的な光／核スピン界面を生成することが可能になった。研究者らは、この基盤の上に、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、複数の量子もつれ状態にある量子ビットが必要となる。研究者らは、上記の分子結晶中のEu³⁺イオンが迷走電場結合を介して量子もつれ状態を実現し、量子情報処理を可能にすることを実証した。この分子結晶は複数の希土類イオンを含んでいるため、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におけるもう一つの要件は、個々の量子ビットへのアドレス指定が可能であることである。本研究で用いた光アドレス指定技術は、読み出し速度を向上させ、回路信号の干渉を防ぐことができる。これまでの研究と比較して、本研究で報告されたEu³⁺分子結晶の光コヒーレンスは約千倍向上しており、核スピン状態を特定の方法で光学的に操作することが可能となる。

光信号は、量子コンピュータを接続して遠隔量子通信を行うための長距離量子情報伝送にも適しています。さらに、発光信号を強化するために、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、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ました。