通信波長での記録的なフォトン — オンデマンド

February, 17, 2026, Stuttgart--シュトゥットガルト大学(University of Stuttgart)とユリウス・マクシミリアン大学ヴュルツブルク大学(Julius-Maximilians-Universität Würzburg)の研究チームは、シュトゥットガルト大学のStefanie Barz教授率いるもので、通信Cバンドにおけるオンデマンド運用と記録的な高フォトン品質を組み合わせたシングルフォトンの供給源を実証した。
これはスケーラブルなフォトニック量子計算と量子通信への重要な一歩である。
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

「高品質なオンデマンドCバンドフォトン光源の欠如は、10年以上にわたり量子オプティクスの研究室で大きな問題となってきたが、われわれの新技術がこの障害を取り除いた」とStefanie Barz教授は話している。

鍵は、同一のフォトンオンデマンド
日常生活では、特徴を明確にすることが望ましいことが多い。他人とまったく同じになりたいと思っている人はほとんどいない。しかし量子技術に関しては、完全な区別がつかないことがゲームの目的である。フォトンのような、すべての性質が同一である量子粒子は、高いに干渉することができる。これはノイズキャンセリングヘッドホンのように、入ってくるノイズの正確な反転コピーである音波が背景を打ち消すのと似ている。同一のフォトンが同期して作用すると、特定の測定結果が起こる確率は増大または減少する可能性がある。このような量子効果は、量子コンピューティングや量子ネットワーキングといった新興技術の中心にある強力な新現象を生み出している。これらの技術が実現可能になるためには、高品質なフォトン間の干渉が不可欠である。

現在、シュトゥットガルト大学の科学者、この論文の筆頭著者、Nico Hauserとその同僚たちは、実用的な応用に特に適した非常に区別がつかないフォトンの供給源を報告している。これは、必要に応じてフォトンを生成し、既存の通信インフラと互換性のある波長で動作する。

テレコムチャレンジ
フォトニック量子技術が拡張可能であるためには、情報を求める社会の基盤となる光ファイバインフラと統合されなければならない。実際には、フォトンソースはシリカファイバ中の光損失が最も低い1550 nmの通信Cバンドで動作すべきである。この要件は長らく課題となってきた。いわゆる量子ドット(人工原子のように機能するナノ構造)に基づく光子源は、780〜960 nmの短波長での発光において理想的な光子特性を達成してきたが、これらの成果をテレコム領域に拡大するのは困難だった。

オーダーメイドのフォトン
最も実用的な代替案である自発的パラメトリックダウンコンバージョン(SPDC)は高品質なフォトンを生成するが、確率的に行われる。つまり、望ましいフォトンが正確にいつ生成されるかを予測することは不可能。これにより、異なる光源から複数のフォトンを同時に同期させるプロトコルでは不可能になる。対照的に、いわゆる決定論的光源はトリガーされるたびにフォトンを生成する。Cバンドフォトンには量子ドットデバイスも存在するが、それらは2光子干渉の可視性(区別不可能性の指標)を得て約72%に達した。これはSPDCソースが通常提供するものを大きく下回り、要求の高い量子プロトコルには不十分である。「われわれの新しい装置はこの壁を取り払う」とStefanie Barzは言う。

スケーラブルフォトニックシステムへ
Hauserらが開発した新しいフォトンソースは、インジウムアルミニウムガリウムヒ素(InAlGaAs)内に埋め込まれたInAsの量子ドットを円形のブラッググレーティング共振器に統合してフォトンの放出を促進する。チームは発光を誘発するための様々なスキームを体系的に比較し、結晶格子内の素粒子振動によって媒介される励起を利用することで、量子ドットに高エネルギーの光を送り込むのではなく、最良の結果が得られることを発見した。このモードでは、生の二光子干渉可視性が約92%に達した。これは通信Cバンドにおける決定論的単一フォトンソースとして報告された最高記録となった。

同期フォトンの新しいアプリケーション
これらの進歩により、決定論的量子ドット源は確率的SPDC源と同じ性能領域に入り、オンデマンドフォトン生成という重要な利点がある。「決定論的なシングルフォトン生成、テレコムCバンドでの放出、高いフォトン識別不可能性を同時に実現できる能力は、測定ベースの量子コンピューティングから長距離通信用の量子リピータまで、多数の同期フォトンを必要とするアプリケーションを可能にする」(Hauser)。

点からネットワークへ
この論文はシュトゥットガルト大学とユリウス・マクシミリアン・ヴュルツブルク大学の共同で発表された。WürzburgチームはSven Höfling教授率いるチームで量子ドットサンプルを製作した。両チームは、ドイツ連邦研究技術宇宙省(BMFTR)が資金提供するコンソーシアムであるPhotonQプロジェクトで協力している。Barz教授の指導のもと、量子コンピューティングのための新しい実用的なフォトニック量子プロセッサの基盤構築に取り組んでいる。プロセッサはシュトゥットガルト大学で設置・運用され、オーダーメイドのフォトンがフォトニック量子コンピューティングの可能性を引き出す助けとなるはずである。新しいフォトンソースは、分散コンピューティングのための複数のフォトニックプロセッサをネットワーク上でリンクする基盤にもなり、これは両チームがプロジェクト Quantenrepeater.Net(QR N)で追求しているビジョンである。、こちらもBMFTRによって資金提供されている。