マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、量子技術を利用して次世代のレーダーやセンサーに電力を供給する新しいハイブリッド拡張デバイスを開発しました。このデバイスは室温で動作することができ、従来の量子技術に必要な大型で高価な冷却装置を必要としません。この革新は、高度な信号処理や安全な通信の新たな地平を切り開く可能性があります。現在の高性能レーダーシステムは、非常に微弱な信号を検出することができ、その鍵となるのはマイクロ波フォトンです。これは、これらのシステムで使用される基本的な粒子です。科学者たちは、ジョセフソン接合と呼ばれるデバイスを使用して、1つのマイクロ波フォトンを2つの相関フォトンに分割します。そのうちの1つは信号のエンコードに使用され、もう1つはデコードに使用されます。
ジョセフソン接合は超伝導回路に属し、これらの回路は安全な通信ネットワークにも応用されています。しかし、これらの超伝導回路は、摂氏マイナス273度（−459°F）以下の温度で動作する必要があり、これはエネルギー集約型で大型かつ高価な低温機器によってのみ実現可能です。
室温で動作する新型ハイブリッドデバイスの可能性
マサチューセッツ工科大学の電気工学およびコンピュータ科学部の副教授であるリュウ・ロッキョウが率いる研究チームは、他の研究を行っている際に、関連するマイクロ波信号を生成するのに低温超伝導回路は必要なく、磁石を利用することで実現できることに気付きました。この方法は比較的簡単で、マイクロ波共振器内に磁性薄膜を置くだけで済みます。このデバイスを利用して、研究者たちは入ってくるマイクロ波フォトンを異なる周波数の同期信号のペアに分割することができました。さらに重要なことに、彼らはこのプロセスを室温で実現しました。このデバイスは、マグノンと呼ばれる小さな磁エネルギーのパッケージを利用しています。
マイクロ波フォトンが磁性システムに注入されると、同じ周波数のマグノンのペアが生成されるため、研究者たちはそれを分ける必要があります：1つは信号伝送に使用され、もう1つは検出に使用されます。
研究チームが構築したハイブリッドデバイスは、同期信号を持ちながら異なる周波数を持つマグノン-フォトン波を生成できます。この方法の利点は、信号を傍受する攻撃者が一致する周波数を取得できなければ、信号をデコードできないことです。この周波数は暗号のようなものです。リュウ教授はプレスリリースで次のように述べています。「マグノンシステムは非常に豊富な非線形力学を示していますが、これらの非線形は実際の応用にはまだ使用されていません。マグノンとマイクロ波フォトンの間の結合によって引き起こされるエネルギーレベルの排除を利用することで、私たちはこれら2つのマグノンを周波数的に分離することができました。」彼らのデバイスは、ノイズに強い通信システムを構築するために使用でき、受信者は伝送中のランダムなデータ干渉があっても情報をデコードできます。
これらのマイクロ波信号はまた、量子シミュレーターの動作にも役立ちます。これらのデバイスは、亜原子粒子に対する複雑な計算を行うために開発されており、新しい薬剤や材料の予測にも使用されます。
室温で生成される信号のコスト効率と応用の展望
これらの信号は室温で生成できるため、この方法はコストが低く、拡張性があり、現実のシナリオでの展開がより可能性を持ちます。カナダのマニトバ大学の物理学および天文学の教授であるフー・ツァンミンは次のように指摘しています。「このブレークスルーは、安全なマイクロ波通信、ハードウェア乱数生成、相関信号処理、インテリジェントなマイクロ波センサーに広く影響を与えるでしょう。これらすべてが室温での古典的な範疇内で動作します。」彼はさらに、「将来的には、このプラットフォームが非線形キャビティマグノンに基づく量子インスパイアされたマイクロ波センサーおよび通信技術の実現の出発点として記憶されるかもしれません。」と付け加えました。
この研究成果は『Nature Electronics』誌に発表されました。