ORNLエンタングルメント研究、新しいチップで量子エセンシャルを接続

March, 5, 2026, Oak Ridge--エネルギー省(DOE)のオークリッジ国立研究所(ORNL)の量子情報科学者は、主要な量子フォトニック機能を1つのチップに組み合わせたデバイスのデモンストレーションに初めて成功した。

Optica Quantumに掲載された研究は、光粒子またはフォトンに依存して量子ビット(qubits)を構築し、情報を保存および送信する量子コンピューティングのタイプに焦点を当てている。qubitsは、従来のコンピューティングで使用されるバイナリビットとは異なり、量子重ね合わせによって複数の状態で同時に存在できるため、物理値の組み合わせを1つのオブジェクトにエンコードできる。量子ネットワーキングは、量子デバイスを距離を超えて接続し、量子インターネットへの第一歩となる。

「これらの要素を1つのチップに搭載したのはわれわれが初めてではないが、これらの特定の機能を1つのチップに搭載したのはわれわれが初めてである」と、この研究の上級著者であり、パデュー大学の准教授でORNLの共同教員に任命されたJoe Lukensは話している。「これらのチップは標準化された仕様で製造できる。これが、大規模な大量生産を確保するための鍵である。このような製品は、テーブルトップのデモンストレーションを超えて、誰もが使用できる量子インターネットへの道を歩むことができる。」

ORNLチームは、フォトン上にqubitsを符号化し、qubitペア、つまり量子ビットが空間で離れていても量子ビットが特性を共有するほど絡み合ったペアを生成した。チームは、様々なタイプの量子ネットワークに必要な要素である広帯域偏光エンタングルメントを、従来のコンピュータが依存する電気トランジスタに匹敵する完全集積回路に作成した。広帯域偏光エンタングルメントは、光波の振動の方向を使用して、広範囲の波長にわたるフォトンに関する情報をエンコードする。

これらのフォトニック量子ビットは、既存の光ファイバハードウェアを介して伝送できるため、新しいインフラストラクチャのインストールコストを大幅に削減できる。このようなポータビリティは、より安定した安全な量子インターネットにつながる可能性がある。

これらの量子ビットを生成してエンコードするプロセスには、依然として費用と時間がかかるが、チームの新しいチップに展開されているような統合された量子フォトニクスは、その障害を克服するのに役立つ可能性がある。

「必要な偏光エンタングルメントを生成するために必要なすべてのコンポーネントを備えたチップを大量生産できれば、チップをネットワークに接続するだけで、これらすべての特殊なテーブルトップコンポーネントを購入して位置合わせする必要がなくなる」と、ORNLのポスドク研究員、研究の共著者、Alexander Miloshevskyはコメントしている。

チップ設計には、エンタングルドフォトンペアを生成できるマイクロリング共振器や、光の偏光に応じて入力光を異なる出力経路に分離する偏光スプリッター回転子などの主要コンポーネントが組み込まれている。1つのチップ上でコンポーネントを組み合わせることにより、広帯域偏光エンタングルメントを直接生成できる。

「これらのフォトンは、すでに存在する従来の光ファイバケーブルネットワークと互換性がある」と、ORNLの量子研究科学者、研究の共著者、Hsuan-Hao Luは述べている。「これらのフォトンを生成して操作することができれば、残された作業の多くに、日常の既製の通信コンポーネントを使用できるようになる。」

このチップは、伝送のために116組以上の異なるチャネル、または光波の色を示した。そのうち100以上のチャンネルは高い忠実度を持っており、チームはこれを「記録的な数」と表現した。

ペア生成にマイクロリング共振器を使用することで、チームの設計は最終的に、偏光や色など複数の方法でもつれ合うハイパーエンタングル量子ビットの作成を可能にできた。

「これらの量子ビットをエンタングルし、エンコードする自由度が高ければ高いほど、より多くの情報を詰め込むことができる」とLukensは話している。「エンタングルメントの大まかな比喩の1つは、多面的なサイコロのペア。サイコロは個別に完全にランダムな結果を転がすが、常に一致する。色や偏光など、複数の自由度がエンタングルしていると、これらのサイコロの複数のペアに一度にアクセスできるようなもので、それぞれが通信に使用できる。それがハイパーエンタングルメントである。

「これらの研究はすべて、最終的に量子インターネットに到達するための全体像の一部である。最終的な結果がどのようなものになるかは正確にはわからないが、われわれが学ぶすべてのことが少し近づいている。」