量子インターネット向けVCSELs

April, 15, 2024, Freiburg--量子コンピュータを接続して性能を向上させたり、通信チャネルを盗聴防止で暗号化したり、原子時計を同期させたりして、衛星ナビゲーションや科学実験のための高精度な時間測定を実行するなど、量子インターネットは様々な重要技術分野で大幅な改善を約束する。
しかし、既存の光ファイバネットワークに量子インターネットを実装するためには、光子の波長をテレコム帯域(1550nm)に適合させることができる量子周波数変換器が必要になる。Fraunhofer IAFは、最大2.4Wのクラス最高の出力電力を持つシングルモードGaSb VECSELsを開発し、低ノイズのポンプ源として量子周波数変換を可能にした。

世界的に光ファイバの普及が進んでおり、従来のインターネット接続の帯域幅が拡大するだけでなく、グローバルな量子インターネットの実現が近づいている。量子インターネットは、特定の技術の可能性を最大限に引き出すのに役立つ。これらには、量子プロセッサとレジスタのリンクによるより強力な量子コンピューティング、量子鍵配送によるより安全な通信、原子時計の同期によるより正確な時間測定が含まれる。

しかし、1550nmのガラスファイバ標準と、これまでに実現された様々な量子ビット(qubits)のシステム波長の違いは、それらの量子ビットがほとんど可視または近赤外スペクトル領域にあるため、ハードルとなっている。研究者は、他のすべての量子特性を保持しながら、フォトンの周波数を明確に変更できる量子周波数変換の助けを借りて、この障害を克服したいと考えている。これにより、1550nmのテレコム範囲に変換し、量子状態を低損失で長距離伝送することができる。

Project HiFi:量子周波数変換の実現技術
ドイツ連邦教育研究省(BMBF)が資金提供する共同プロジェクト「HiFi — Highly integrated quantum frequency converter of highest fidelity based on innovative laser, fiber and production technology」（レーザ、ファイバ、製造技術を基盤とした高忠実度の高度統合量子周波数変換器）では、初期テストトラックに高効率で低ノイズの量子周波数変換器(QFK)を提供するために必要なすべての技術の実現に取り組んでいる。Fraunhofer応用固体物理学研究所(IAF)は、アンチモン化ガリウム(GaSb)をベースにしたディスクレーザ(垂直外部共振器面発光レーザVECSELs)の開発に成功し、このプロジェクトに貢献した。これらは、波長選択用の外部共振器と共振器内フィルタを備えた光励起表面発光半導体レーザである。

2.4Wの出力電力、100kHz以下の絶対周波数安定性
「HiFiの一部として開発したVECSELsは、スペクトル的に狭帯域のポンプ光源であり、使用する量子ビットの出力波長に応じて、1.9〜2.5μmの波長をカバーし、2fm未満の絶対波長安定性で最大2.4Wの出力電力を実現する。これは 100 kHz 未満の周波数安定性に相当し、周波数安定性クラス 1E-9 を明らかに下回っている。この結果は、このタイプのレーザの国際記録である」と、FraunhoferIAFのHiFiサブプロジェクトコーディネータ/オプトエレクトロニクス部門の責任者、Dr. Marcel Rattundeは説明している。

「この結果は、プロジェクトパートナーであるMENLO Systems GmbHとの緊密な協力によって可能になった。ディスクレーザを周波数コムにロックし、周波数コムを10MHzリファレンスに結合した」（Rattunde）。

今回の実験では、ザールラント大学のファイバリンクでの実証実験の目標波長(2062.40nm)に発光波長を正確に設定した。レーザモジュールは、FraunhoferIAFから譲り受けたものである。HiFiプロジェクトにおけるFraunhoferIAFの最も重要な研究課題は、パワースケーリングに加えて、レーザのモード挙動の正確な理解と、ノイズ源の特定と除去である。

励起レーザを用いた量子周波数変換
量子周波数変換では、非線形光学結晶の差周波数プロセスによって、ポンプフォトンのエネルギーが信号光子から差し引かれる。ローノイズプロセスを確保するためには、励起フォトンのエネルギーがターゲット波長(通常は1550nm)以下でなければならず、そうでなければ、励起レーザは寄生効果により出力信号に光子を生成する可能性がある。

FraunhoferIAFで開発されたVECSELsは、MENLO周波数コムと組み合わせることで、狭い帯域幅と波長安定性により、ポンプ波長の変動を防ぎ、その結果、qubitsのターゲット波長の変化を防ぐことができるため、量子周波数変換の高い要件を満たしている。自然な線幅を超える偏差があれば、量子ビットは区別がつかなくなり、その後の量子力学的処理の基本的な要件がなくなる。