チップベースフォノンスプリッタ、ハイブリッド量子ネットワークを現実に近づける

October, 24, 2025, Washington--デルフト工科大学の研究チームは、量子システムで情報を運ぶことができる機械的振動の小さなパケットであるフォノンを分割できるチップベースのデバイスを作成した。このデバイスは、重要なギャップを埋めることで、フォノンを介して様々な量子デバイスを接続するのに役立ち、高度なコンピューティングと安全な量子通信への道を開く可能性がある。

「フォノンは、非常に異なる量子システムを接続するオンチップ量子メッセージとして機能し、ハイブリッドネットワークと、コンパクトでスケーラブルな形式で量子情報を処理する新しい方法を可能にする」と、オランダのデルフト工科大学の研究チームリーダーSimon Gröblacher氏は話している。「実用的なフォノニック回路を構築するには、個々の振動量子を生成、ガイド、分割、検出できるチップベースのコンポーネントのフルセットが必要になる。光源と導波路はすでに存在するが、コンパクトなスプリッタはまだない。」

Optica Publishing GroupのジャーナルOptica Quantumで、研究チームは、単一フォノン用のコンパクトで統合された4ポート指向性カプラについて説明し、制御可能な分割と量子レベルの性能を達成できることを示している。

「われわれのデバイスは、高速量子計算によく使用される超伝導量子ビットと、量子情報を長期間保存するのに適したスピンベースのシステムをリンクする微細なオンチップルータとスプリッタを実現する可能性がある。また、様々な量子実験や非常にコンパクトな超高感度機械センサも実現する可能性がある」(Gröblacher)。

量子システムの接続
量子技術は、より高速なコンピューティング、より安全な通信、新しいタイプのセンシングを可能にする大きな可能性を秘めているが、異なる量子システムは相互にうまく相互作用しないことがよくある。これに対処するために、エンジニアは表面弾性波として知られる一種のフォノンに基づくプラットフォームを開発した。しかし、損失が大きいため伝搬距離が限られていることや、既存のソリューションが本質的にオープンな2次元構造であるため、このようなデバイスは比較的大きくなり、実用化の障壁となっている。

新しい研究では、研究チームは、フォノニック結晶導波路内を移動する高度に閉じ込められた高周波(GHz)フォノンを使用するチップベースの指向性結合器を設計した。これらのフォノンは、通信チャネル間のクロストークを低減できるため、より小型でスケーラブルなオンチップデバイスを可能にする。また、より長いフォノン寿命をサポートし、量子特性が劣化する前に複雑な干渉と配線を可能にする。

各デバイスはシリコンに組み込まれており、標準の光指向性カプラのように4ポート(2入力、2出力)を備えている。極低温では、振動が量子情報の離散的で信頼性の高い単位として機能することを可能にするシングルフォノン量子状態で使用できる。

「われわれが作ったカプラは、量子的な『郵便ルート』のジャンクションのように機能する。単一の量子振動を分割、ルーティング、または再結合できるため、1つのプロセッサで生成された励起を同じチップ上の別のプロセッサまたは複数の受信者に確実に送信でき、より柔軟でコンパクトな量子デバイスとネットワークが可能になる」(Gröblacher)。

統合された指向性カプラを構築するために、研究チームはシリコンチップ上にナノスケールの構造をパターン化して、小さなチャネルに沿って振動を誘導し、制御された方法で混合できる領域に振動をまとめた。これを実現するには、振動が減衰せずに長距離を伝わるように、非常に精密な製造が必要だった。

フォノン分割のデモンストレーション
デバイスの初期テストとして、研究チームは、コヒレントフォノン波パケット内のエネルギーが、時間の経過とともに複数の往復にわたって2つの出力キャビティ間でどのように分配されるかを測定した。カップリングの長さを変えることで、制御可能な分割比を達成することができた。この古典的なテストの後、チームはフォノンヘラルディングスキームを使用してフォノンの存在を検証し、カプラが単一フォノンのビームスプリッタ(機械的運動の量子化された状態)として動作することを実証した。

研究チームは現在、カプラにさらに高度なフォノニックコンポーネントを追加し、損失を減らすために製造を改善し、干渉計などのより複雑なマルチコンポーネントデバイスにデバイスを組み込むことに取り組んでいる。ラボの枠を超えて、これらのデバイスを既存の量子コンピューティングプラットフォームと統合する必要がある。

「チップ上の単一のフォノンをルーティングして操作する機能は、様々なタイプの量子システム間で量子情報を転送し、ハイブリッド量子システムの可能性を解き放つ鍵となる」とGröblacherはコメントしている。「新しいデバイスは、現代科学における光学対応物と同じくらい重要になると予想している。」

論文:A Zivari、N. Fiaschi、L. Scarpelli、M. Jansen、R. Burgwal、E. Verhagen、S. Gröblacher、「シングルフォノン指向性カプラー」3、445-451(2025)。