量子暗号通信などの次世代技術におけるキーデバイス『単一光子光源』の実用化に大きく前進

～室温で光ファイバから単一光子を直接発生させることに成功、鍵は希土類原子～

東京理科大学

2023年11月2日 10時30分

【研究の要旨とポイント】

単一光子光源は、量子暗号通信や、超高解像度画像解析などの次世代技術におけるキーデバイスですが、製造コスト、波長制限、冷却装置の必要性など、さまざまな課題があります。
光学活性な希土類原子を添加した光ファイバを使用する単一光子光源を発明しました。
室温において、開発した光ファイバから単一光子が直接発生させられることを実験的に示しました。
低コスト、波長選択可能、冷却装置を必要としない単一光子光源の実現に大きく貢献する成果であり、次世代のさまざまな量子情報技術の基盤になると期待されます。

【研究の概要】

東京理科大学理学部第一部物理学科の佐中薫准教授、Mark Sadgrove准教授、清⽔魁人氏（博士課程1年）、沖縄科学技術⼤学院⼤学（OIST）の根本香絵教授らの研究グループは、光学活性な希土類原子を添加した光ファイバ材料を使用する単一光子光源を発明し、室温において、単一光子を直接発生させられることを実験的に示しました。

量子コンピュータや人工知能（AI）の発達により、既存の暗号通信ではセキュリティの確保が困難になる事態に備えて、量子暗号や量子中継機などの新しい技術を実現する量子デバイスの開発が急務となっています。

量子デバイス開発の鍵を握るのが、量子情報を伝送するために必要な、光子一つ一つを制御できる単一光子光源です。単一光子光源は、欧州のベンチャー企業などで事業化へ向けた開発が進んでいます。しかし、これらは主に半導体などの結晶材料を使用する方式の光源で、製造コストが高く、波長に制限がある上、冷却装置が必要となるなど、実用化までにクリアすべき課題がまだ多く残されています。

そこで本研究では、これらの結晶材料とは全く異なるアプローチをとり、非晶質材料である光ファイバを使用する方式を提案しました。光ファイバを利用する方式では、一般的なレーザ材料を転用するのでコストが低く、添加する希土類原子の種類によって幅広い波長が選択可能になります。さらに、室温でも稼働するため冷却装置を必要としないことも、光ファイバを使用する方式の大きなメリットです。

本研究グループは、光活性な希土類原子を添加した光ファイバを熱処理によって延伸加工を行いました。これにより、添加された希土類原子間の平均距離が光の回折限界距離以上に分離され、単一光子を発生させることに成功しました（図1）。本手法は、室温において光ファイバ内で空間的に孤立して分布しているそれぞれの単一希土類原子を個別に位置特定することが可能であることから、大規模な量子光ネットワークなど、さまざまな波長で単一原子や単一光子を用いる量子技術への応用が期待されます。

本研究成果は、2023年10月16日に国際学術誌「Physical Review Applied」にオンライン掲載されました。

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図1. (a) 希土類原子が添加された光ファイバの概略図と顕微鏡観察の様子。光ファイバ全体からの発光が見られる。(b) 熱延伸加工後の光ファイバの概略図と顕微鏡観察の様子。光ファイバ内で分離した単一原子からの発光（赤矢印）が見られる。

【研究の背景】

量子暗号通信など、量子力学的性質を利用したさまざまな技術の開発が進んでいます。光子一つ一つを制御できる単一光子光源が必要とすることは全ての量子デバイスに共通していますが、用途によって求められる波長は異なります。たとえば、乱数発生装置や超高解像度画像解析では可視〜近赤外光波、量子暗号・量子中継器では光ファイバ通信波長（800~1600nm）、光レーダ・自由空間通信では中赤外光波長が求められます。このような幅広い波長を選択できる単一光子光源を開発する必要がありますが、現在の主流である半導体などの結晶材料を使用する方式では、単一光子の波長が材料によって限定されるという問題があります。

希土類原子はその種類によって、可視から中赤外波長まで幅広い波長の光を発することに加え、希土類特有の電子配位から、発光特性が母材や温度の影響を受けにくいため、さまざまなフォトニック量子デバイスの単一光子エミッタとして利用できると期待されています。

単一光子光源は現在、ナノメーターサイズの半導体量子ドットなど、結晶材料を使用する方式が主流となっています。しかし、結晶材料を使用する方式は製造コストが高く、波長に制限がある上、冷却装置が必要となるなど、さまざまな課題が残されています。希土類原子を添加した結晶材料を用いることで単一光子の制御に成功したという新たな切り口からの研究報告もありますが、これらの研究も極低温で行われたものがほとんどです。

そこで本研究では、室温で稼働可能かつ波長選択可能な単一光子光源の開発を目指し、光活性な希土類を添加した非晶質シリカ光ファイバによるデバイスを作成し、その特性を解析しました。

【研究結果の詳細】

光ファイバに添加する材料は希土類のYb3+イオンを用いました。Yb3+イオンは基底状態と励起の2つしか持たない単純なエネルギー準位構造を持ちます。しかもこれらのエネルギー準位は、一般的なレーザーダイオードの発光波長に相当する約1.2eVのエネルギーで隔てられていることから、市販されているレーザーダイオードを用いて容易に励起させることができます。

そして、Yb3+イオンを添加した光ファイバを、熱処理によって延伸加工しました。Yb3+イオンが添加された熱延伸加工前の光ファイバでは光ファイバ全体から発光しますが、熱延伸加工後の光ファイバでは、光ファイバ内で空間的に孤立して分布している単一原子からの発光が確認されました（図1）。これは、熱延伸加工によって添加されたYb3+イオン間の平均距離が光の回折限界距離以上に分離されたためです。

次に、発光が確認された単一の原子について、モノクロメータによる分光分析、および単一光子性を検証するための二次の強度相関測定実験を行いました。分光分析の結果、延伸した光ファイバ中の単一Yb3+イオンの分光解析から、延伸前のファイバと同様の非共鳴蛍光スペクトルが観測されました。また、単一Yb3+イオンから放出された光子の遅延時間に対する二次の強度相関測定からは、光ファイバ中の単一Yb3+イオンから光子が放出されていることを示す計測結果が得られました（図2）。

研究を行った佐中准教授は「室温において光ファイバから単一光子を直接発生させることができれば、低コストで波長選択可能かつ冷却装置を必要としない単一光子光源が実現し、真の乱数発生器、量子暗号通信、量子演算、回折限界を超える超高解像画像解析など、次世代のさまざまな量子情報技術の実用化につながります」と、幅広い応用を期待しています。