早坂和弘研究マネージャーおよび英サセックス大学のマティアス・ケラー教授らと共にトラップされた単一イオンからの光子を光ファイバーで長距離に送信することに世界で初めて成功しました。強力な計算機からの攻撃に対しても解読されることのないセキュリティ通信を提供する量子暗号(注3)は、光子の損失による通信距離の限界が課題となっていました。この損失を軽減し、効率的な長距離通信を行うには、光ファイバー通信網に量子力学的な情報処理を行う量子中継器(注4)を設置する必要があります。本研究グループは、単一イオンからの単一光子を、新しく開発した波長変換器によって光ファイバー通信波長に変換することで、効率的に単一光子を長距離光ファイバーで送信できることを明らかにしました。この波長変換器を利用することで、単一イオンを利用した長距離量子ネットワークの実現に向けた量子メモリ(注5)や量子中継器の開発に役立つことが期待されます。Letters」(オンライン)に掲載されました。任意の計算機に対するセキュリティを可能にすることがわかっています。光ファイバー通信を利用して長距離で実現するためには、技術的に克服しなければならない課題が存在します。量子情報のキャリアである光子のファイバーでの損失を低減することは重要です。現在の通信で使われる中継器では量子情報が壊れてしまうために、量子力学の原理で動作する量子中継器が必要となります。いくつかの方式がありますが、どの方式でも光子の量子情報を壊さずに損失を検知する量子演算が重要になります。トラップされたイオンは量子コンピューター(注6)を実現する演算が全て可能な量子情報処理媒体の一つであり、光の量子状態を読み書きして記憶し、量子演算をすることで、量子中継に必要な処理を実現できます。これまで実現しているトラップイオンは光ファイバー通信波長の光を読み書きできるものではありませんでした。<今回の研究>山本俊准教授らのグループと情報通信研究機構(NICT)早坂和弘研究マネージャーらのグループは、カルシウムイオンの共鳴波長である866nmの光子を光ファイバー通信波長である1550nm帯へ変換する高効率で低雑音の波長変換器を実現しました。これにより、従来問題となっていた波長ギャップを埋めることが可能になり、カルシウムイオンに対して通信波長の光子を読み書きすることが可能になります。英サセックス大学の光共振器結合したカルシウムイオントラップに組み込むことで、カルシウムイオンからの単一光子を通信波長帯(1550nm帯)へ変換する実験に成功しました。866nmでは10kmも進むと1000分の1の光子しか残らないのに対して、1550nm帯では約15kmまで半分の光子が残ります。kmの単一光子ファイバー通信を実現しました。nmの単一光子の直接送信を十分に超える効率となり、波長変換器の優位性が明確に示される結果となりました。<本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)>本研究成果により、トラップされたカルシウムイオンが光ファイバー通信波長の光子によりアクセス可能であることを示すことができました。開発した波長変換器を更に改良することで、カルシウムイオンと量子もつれ(注7)にある光子を光ファイバー通信波長に変換し、量子ネットワークを形成することが考えられます。可能にする量子中継の実現が期待できます。Letters」(オンライン)に掲載されました。創出」研究領域における研究課題「グローバル量子ネットワーク」(研究代表者:井元信之)および研究課題「オンチップ・イオントラップによる量子システム集積化」(研究代表者:田中歌子)の一環として行われました。センターの支援により行われました。いった非線形光学効果を利用した波長(周波数)変換器。量子状態を壊さない高性能な単一光子波長変換のためには、わずか光子1個分の雑音さえ許さないクリーンな波長変換技術が求められます。注2)トラップイオンイオン化した原子を真空中に捕捉したもの。単一のトラップイオンを並べることで、量子コンピューターに必要なすべての演算をすることが可能であることが示されており、量子コンピューター実現のための要素技術となっています。トラップイオンとして用いられる原子種は多くないため、量子状態を読み書きできる光の波長が限られています。量子コンピューターができても破られません。直接送信では送信距離に対して指数関数的に受信効率が減少しますが、中継点間に蓄積された量子もつれを利用することでこの受信効率の減少を大幅に改善することができ、1000kmを超える量子情報通信が可能になると考えられています。注5)量子メモリ現在の情報処理では「0」と「1」の2文字(ビットといいます)で計算や通信を行っていますが、量子情報処理は「0」と「1」の重ね合わせ状態も使います(量子ビットといいます)。現在のコンピューターで使われているメモリでは、ビットは記憶できますが量子ビットを記憶できません。量子ビットを記憶する装置を量子メモリと呼びます。量子もつれ状態にある量子ビットを使うと、莫大な数の事象や処理を現実的な数の量子ビットで表すことができます。これを利用して複雑な計算を並列処理するのが量子コンピューターです。ある種の問題を解く際に、原理的に従来のコンピューターをはるかにしのぐ性能が得られます。注7)量子もつれ複数量子ビット間の量子力学的な相関で、エンタングルメント(entanglement)の和訳。量子もつれ状態にある2つの光子の場合、片方の状態が決まると、もう一方の状態もそれに応じて決まり、その関係は光子間の距離に依存しないといった特異な性質があります。セキュリティなど、ほぼすべての応用においてリソースとしての重要な役割を果たしています。