研究チームは、個々の光粒子、すなわち光子の到来を検出できるほど高感度な光検出器のアレイを作製し、シリコン光チップに搭載した。このようなアレイは、光子を使って量子計算を行うデバイスに不可欠な構成要素である。
単一光子検出器は扱いが非常に難しいことで知られている。標準的な製造技術を使ってチップ上に100個形成しても、通常、動作するのはほんの数個にすぎない。本日Nature Communicationsに掲載された論文で、MITなどの研究者らは、検出器を個別に作製・試験した後、動作するものを標準的な製造プロセスで作られた光チップに転写する手法を説明している。
この手法は、より高密度で大規模なアレイを実現するだけでなく、検出器の感度も向上させる。実験では、新しい検出器が、従来のアレイに使われていた検出器と比べ、単一光子の到来を正確に検出する可能性が最大100倍高いことが分かった。
「検出器とフォトニックチップの両方を、それぞれに最適化された専用の製造プロセスで作り、その後で組み合わせます」と、新論文の筆頭著者で、MITの電気工学・コンピューターサイエンス専攻の大学院生であるFaraz Najafiは説明する。
小さく考える
量子力学によれば、微小な物理粒子は直感に反して、互いに排他的な状態を同時にとることができる。そのような粒子からなる計算要素は量子ビット、またはキュービットと呼ばれ、ゼロと1を同時に表現できる。複数のキュービットが「もつれ」ている、つまり量子状態が相互に依存している場合、ある意味では、1回の量子計算で多数の計算を並行して実行できる。
多くの粒子ではもつれを維持するのが難しいが、光子の場合は比較的容易だ。そのため、光学系は量子計算の有望な手法である。しかし、量子コンピューターが、たとえばレーザーで捕捉したイオンやダイヤモンドに埋め込まれた窒素原子をキュービットとして使うものであっても、量子情報を伝送するためにもつれた光子を利用すれば、なお利点が得られる。
「最終的には、フォトニックキュービットを数十個、あるいは数百個備えた光プロセッサーを作りたいと考えるでしょう。従来の光学部品を使ってこれを実現するのは扱いにくくなります」と、新論文の責任著者で、MIT電気工学・コンピューターサイエンス学科のJamieson Career Development Assistant ProfessorであるDirk Englundは語る。「扱いにくいだけでなく、おそらく不可能です。大きな光学テーブル上に構築しようとすれば、テーブルのわずかな揺れだけで光学状態にノイズが生じるからです。そのため、こうした光回路をフォトニック集積回路上に小型化する取り組みが進められてきました。」
このプロジェクトは、Englundのグループと、電気工学・コンピューターサイエンス学科の准教授Karl Berggrenが率いるQuantum Nanostructures and Nanofabrication Groupとの共同研究であり、Najafiも同グループに所属している。MITの研究者らは、IBMおよびNASAのジェット推進研究所の同僚とも協力した。
転写
研究者らの工程は、従来の製造技術で作られたシリコン光チップから始まる。別のシリコンチップ上に、薄く柔軟な窒化ケイ素膜を成長させ、その上に光子検出に適したパターンで超伝導体の窒化ニオブを堆積させる。できあがった検出器の両端には金電極を堆積する。
次に、窒化ケイ素膜の一端に、シリコーンの一種であるポリジメチルシロキサンの小さな液滴を付ける。続いて、実験用チップの電圧測定に通常使われるタングステン製プローブをシリコーンに押し当てる。
「まるでSilly Puttyのようです」とEnglundは言う。「置くと広がって接触面積が大きくなり、素早く持ち上げると、その広い面積が保たれます。その後、元に戻って一点にまとまります。指で硬貨を拾おうとするのに似ています。押さえて素早く持ち上げると、少しすると硬貨が落ちてしまいます。」
研究者らはタングステン製プローブを使って膜を基板から剥がし、光チップに取り付ける。
従来のアレイでは、検出器が検出したのは、照射された単一光子のわずか0.2％だった。個別に堆積させるオンチップ検出器でさえ、歴史的に最高でも約2％にとどまっていた。一方、研究者らの新しいチップ上の検出器では、最大20％に達した。実用的な量子回路に必要な90％以上にはまだ遠いものの、正しい方向への大きな一歩だ。
「これは技術的に卓越した成果です」と、研究に参加していないグラスゴー大学のフォトニクス教授Robert Hadfieldは述べる。「商用のピック・アンド・プレース技術を使って、数百個の検出器を必要とする大規模回路へと拡張できる可能性があります。」
この記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Larry HardestyはMITの寄稿者。
画像：研究者らが開発した光子検出器の一つ。シリコン光チップ上の光チャネル、すなわち「導波路」（水平の黒い帯）を横切るように堆積されている。MIT。
