将来の量子ネットワーク向けマイクロミラー

March, 9, 2026, Cambridge--ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部(SEAS)と芸術科学部の研究者たちは、フォトンと呼ばれる単一の光粒子を制御するために、これまでに作られた中で最も小さく滑らかなミラーのいくつかを作る新しい方法を考案した。これらのミラーは将来の量子コンピュータ、量子ネットワーク、統合レーザ、環境センサ装置などで重要な役割を果たす可能性がある。

SEASの電気工学のTiantsai Lin教授、Marko Lončarの研究室チーム、Mikhail Lukin (物理学部のJoshua&Beth Friedman大学教授)と、SEAS電気工学助教授のKiyoul Yangは、高性能曲面光学ミラーの製造方法についてOptica誌に論文を発表した。2つのミラーを用いて光を閉じ込めることで、チームは近赤外波長の光を制御できる最先端の光共振器を実証した。これは量子コンピューティングアプリケーションにおける単一原子の操作に重要である。

光共振器は光キャビティとも呼ばれ、今日では計時や分光学のための精密機器から、データセンタのレーザや光インタコネクトに至るまで、無数の光を使ったデバイスの基本的な構成要素である。ギターの弦のようなもので、光のためだけに、二つのミラーの間の空間に収まり、増強できるのは特定の波長の光だけ(音とは違う)。量子アプリケーションでは、これらの光キャビティがより小さく、信号損失も低くなることが増えている。

Harvardチームの新しいマイクロファブリケーション法は、筆頭著者で元大学院生のSophie Dingが主導し、超低温の単一原子から量子ネットワークを構築しようとする実験物理学の同僚たちが直面している実用的な課題に触発された。チームは原子と光子を強く結合させ、特定の波長で動作し、スケールや形状が可能な非常に滑らかなミラーを持つ光キャビティを探していた。

「われわれは、シングルフォトンがシングルアトムと効率的に相互作用し、高速かつ高精度な量子ネットワーキングを可能にするために、これらの高品質なフォトニックインタフェースが必要だった」と、論文共著者であり、Lukin研究室のポスドク研究員Brandon Grinkemeyerは話している。

しかし、今日のほとんどのリソグラフィやエッチング手法では、最も要求の高い量子アプリケーションに適した十分に滑らかな鏡面を生成できない。

Dingの新しい方法は、より一生懸命ではなく、より賢く働くことの一例である。

研究チームはシリコンウエファから始め、熱酸化を用いて表面に薄いシリコン酸化物の層を成長させ、凹凸や溝を平らにする。除去すると、酸化物は滑らかなシリコン表面を残す。その表面に、チームは誘電鏡コーティングと呼ばれる精密に設計された透明酸化膜のスタックを堆積させた。背面に穴を開けてコーティングをシリコンウエファから剥がすと、機械的応力により完璧な曲線に曲がり、自然に高品質なミラーが形成される。

このプロセスにより、研究チームはミラーの曲率半径やミラーが反射する光の波長を制御できるため、非常にスケール性が高く比較的シンプルである。

「マイクロファブリケーションでは、表面の粗さはエッチングやマスクによって定義されると考えられることがあり、最適化しようと件名に努力している。しかし、材料の特性を使う場合、その特性を大幅に減らし、より堅牢な結果を得ることができる」(Ding)。

研究チームは、マ微細加工された共振器が780nmの波長で90万回の「フィネス」という記録的な「フィネス」に達することを示した。つまり、光は空洞内でほぼ100万回跳ね返ってから散乱できるということである。これに対し、光通信信号は1550nmの波長で送信される。

Dingの新手法で作られた光キャビティは、多くの原子が光ファイバ内のフォトンで連結されるモジュール型量子コンピューティングアプリケーションに利用可能である。キャビティは、原子の量子状態を光に変換し、透過し、別の原子に書き戻すための重要な界面となる。

この研究の潜在的な影響は量子コンピューティングにとどまらない。その多用途性とスケーラビリティにより、超コンパクトレーザ、分光センサ、集積フォトニクスなど、多くの光学共振器をチップに直接構築できる他の波長にも適応可能である。