カナダのオタワ大学の研究者たちは、光子間の量子もつれはレーザーのようなコヒーレント光源を必要とせず、直射日光のような非コヒーレントな光源を使用して生成できることを証明しました。この研究は量子技術に新たな道を開き、光源の展開をより柔軟にし、より少ないエネルギーでの使用を可能にします。量子技術がまだ初期段階にある中で、その高エネルギー消費に対する懸念が高まり始めています。現在の量子研究は通常、超低温と高度にコヒーレントなレーザーという2つの条件を必要とします。これらの条件は非常にエネルギーを消費するため、現状のまま拡大するとエネルギー需要の懸念を引き起こすことになります。
研究者たちは、材料が室温でも量子特性を示す方法を探求しています。別の課題については、物理学教授で量子非線形光学の専門家であるロバート・ボイドが率いる研究チームが、豊富な自然光源を使用して量子もつれを実現できるかどうかを観察しています。
研究は太陽光が量子もつれの生成に利用できることを示す
光子もつれの研究者たちは、光子もつれはレーザーのようなコヒーレント光によってのみ実現できると考えていました。これは、これらの光源の光波が同期しており、そのピークと谷の間に予測可能なパターンが形成されるため、光子もつれを実現するために必要とされると考えられていたからです。彼らの以前の研究の中で、ボイドのチームはこの仮説が誤りであることを証明しました。研究者たちは非コヒーレントなLED光源を使用して偏光もつれの光子を生成し、特定の特性において無秩序な光でももつれた光子を生成できることを示しました。現在、研究チームは太陽光をさらに利用することを希望しています。なぜなら、太陽光は散乱しており、広範な色を含んでいるからです。
「太陽光駆動のもつれ生成は、エネルギー負担を増やすことなく量子計算を拡張するために必要な重要な要素を提供する可能性があります」と、オタワ大学の大学院生でこの研究に参加した李程は説明しました。
彼らはどのようにしてこれを実現したのでしょうか？研究者たちは通常、自発的パラメトリックダウンコンバージョン（SPDC）と呼ばれるプロセスを使用し、ポンプビームが非線形結晶と相互作用し、光子が対に分裂して量子もつれを形成します。今回の実験は異なり、太陽光は空間的にも時間的にも高度に偏光されていますが、非コヒーレントです。「異なる色と伝播方向によって引き起こされる違いが光子の偏光に影響を与えないように実験装置を設計しました」と李はプレスリリースで説明しました。「私たちの理論予測によれば、もつれが偏光のみに存在する場合、それはポンプの振動方向の秩序性にのみ依存し、その方向や色には依存しないはずです。
これにより、空間的および時間的に高度に非コヒーレントな太陽光から高品質の偏光もつれを生成することができました。」
チームが直面した課題の一つは、太陽光をミリメートルサイズの非線形結晶に集束させることでした。この問題を解決するために、研究者たちはドイツのマックス・プランク科学研究所の研究者ハニエ・ファタヒが開発した太陽光集光器を使用しました。この集光器はフレネルレンズを利用して、太陽光を人間の髪の毛よりも細い光ファイバーに集めます。実験では、太陽光からのもつれが94%完璧なもつれ状態に類似した結果を生成することがわかりました。チームは現在、明るさともつれの質を向上させることで、現場に展開可能な製品の開発に取り組んでいます。
「この技術は、将来的に衛星が宇宙に豊富に存在する太陽光を利用して安全な暗号鍵を生成し、搭載レーザーや大量の補助ハードウェアへの依存を減らすことを可能にするかもしれません」と李はプレスリリースでまとめました。この研究結果は『Optica』誌に発表されました。