ORNL、世界初の量子ゲートを開発

March, 4, 2025--エネルギー省のオークリッジ国立研究所(ORNL)の量子研究者が主導した最近の研究は、より信頼性の高い量子ネットワークの構築に関心のある科学コミュニティの間で人気があることが証明された。

ORNLのHsuan-Hao Luが主導するこの研究では、偏光と周波数という2つのフォトニック自由度の間で動作する新しい量子ゲートの開発について詳しく説明している。(フォトニック自由度は、情報を保存または送信するために制御および使用できるフォトンの様々な特性を表す。この新しいアプローチをハイパーエンタングルメントと組み合わせることで、量子通信におけるエラー耐性が向上し、将来の量子ネットワークへの道を開くのに役立つ可能性がある。

チームの研究は、ジャーナルOptica Quantumに掲載され、2024年7月から9月のジャーナルのトップダウンロードリストに含まれた。

「電磁エネルギーの最小パケットであるフォトンは、量子ネットワーク全体で情報の生存可能なキャリアである。各フォトンには、経路、偏光、周波数など、量子情報を運ぶことができる複数の自由度がある。エンタングルメントとして知られるフォトン間の量子接続により、量子テレポーテーションなどのプロトコルが可能になる。ただし、この接続は環境条件に非常に敏感であるため、送信中にエラーが発生する可能性がある」とLuは話している。

2つの光子の間に複数の自由度がもつれることであるハイパーエンタングルメントを通じて、Luと彼のチームは、コミュニケーションをより確実に共有できると判断した。

「例えば、水平偏光のフォトンがあるとする。これは、通信ビット値がゼロに相当する。光ファイバを通過すると、その分極がランダムに変化し、通信にエラーが発生する可能性がある。ここで開発した手法は、ハイパーエンタングルメントと組み合わせることで、ネットワーキングタスクでこれらのエラーを抑制できる可能性がある」(Lu)。

このプロジェクトの研究者は、このハイパーエンタングルメントを新しい量子ゲートを介して操作し、アプリケーションで使用できることを確立した。つまり量子ネットワークを介した通信能力を向上させることができる。

Luの研究は、ORNLの同僚であるAlex Miloshevskyの論文「CMOS photonic integrated source of broadband polarization-entangled photons」を補完するものである。Miloshevskyの論文はOptica Quantumにも掲載され、ダウンロード数のトップリストに掲載された。

この研究の次のステップは、この新しい技術をORNLの量子ネットワークに展開することである。

この研究の資金は、DOE の Advanced Scientific Computing Research プログラムと Quantum-Accelerated Internet Testbed (QuAInT) を通じて可能になった。