ワルシャワ大学の科学者が発見した量子コンピューターのネットワーク・インターフェイスが可能になるかもしれない

ワルシャワ大学の科学者が発見した量子コンピューターのネットワーク・インターフェイスが可能になるかもしれないとエウレカラート（エウレカ＋アラート）が伝えています。

ワルシャワ大学物理学部の学生を含むQOT量子光技術センターの科学者チームが、マイクロ波と光フォトンの間で量子情報を変換できるデバイスを開発した。この研究成果は「ネイチャー・フォトニクス」誌に掲載され、量子技術、量子ネットワークインフラ、マイクロ波電波天文学への応用が期待される新しいマイクロ波検出法に焦点を当てたものである。

量子情報の変換

携帯電話やコンピューターで曲を聴くときはいつも、情報の変換が行われている。デバイスのメモリーにデジタルでエンコードされたファイルが、ヘッドホンを駆動する電流に変換されるのだ。同様に、私たちは光子（光の最小量子）にエンコードされた量子情報を変換することができる。例えば、1個のマイクロ波光子から1個の光子に情報を転送することができる。しかし、単一光子演算が可能なデバイスの実現は非常に困難である。さらに、光フォトンはマイクロ波フォトンの1万倍のエネルギーを持ち、両方の光種と同時に相互作用できる媒体がほとんどないという事実が、この課題を困難にしている。

それでも、量子情報の変換は、ハイブリッド量子ネットワーク（量子コンピューターのような異なる量子デバイスを接続するネットワーク）にとって極めて重要である。量子コンピューティングは、マイクロ波光子と超伝導回路との相互作用によって実現できるが、この方法で符号化された量子情報の長距離転送は、ノイズの蓄積という難題がある。しかし、光ファイバー経由で量子情報を効率的に送ることができる光光子では、これはもはや問題ではない。したがって、量子情報のマイクロ波-光変換器は、量子ネットワーク・アダプター（量子コンピューターと量子インターネットをつなぐインターフェース）の重要な部分となりうる。

拡大原子

マイクロ波と光フォトンの両方と相互作用できる媒体の1つとして知られているのが、リュードベリ原子である。リュードベリ原子は、19世紀初頭に光分光学を研究し、有名なリュードベリ公式を発表したヨハネス・リュードベリにちなんで名付けられた。リュードベリ原子は、例えばルビジウム原子の価電子をレーザーで励起することで生成できる。これにより原子のサイズが1000倍になり、多くの興味深い性質を獲得する。この場合、リュードベリ原子がマイクロ波に対して非常に敏感であることを知っておくことが重要である。

これまでのところ、マイクロ波から光への変換は、複雑な磁気光学トラップ装置に捕らえられたレーザー冷却原子においてのみ実証されている。ワルシャワ大学の科学者たちは、マイクロ波から光への変換が、ガラスセル内の原子蒸気中で、室温で実現できることを初めて示した。提案されたコンバーターの設計は著しくシンプルであり、将来的にはさらに小型化することが可能である。さらに、この新しい変換方式はノイズレベルが非常に低いため、単一光子でも動作させることができる。新しいコンバーターのセットアップがはるかに単純であるにもかかわらず、変換のパラメーターは驚くほど優れている。特に、UWで作られた発明は、原子を特別に設計されたタイム・シーケンスで準備する必要がないため、ノンストップで動作することができる。

UWの科学者たちは、このコンバーター装置を使って、マイクロ波アンテナや特殊な低ノイズ増幅器を使わずに、室温でのマイクロ波熱放射の検出を初めて実証した。熱レベルまで到達するためには、このデバイスは単一光子に対して敏感でなければならないが、それにもかかわらず、このコンバーターは、他の標準的なマイクロ波デバイスとは対照的に、100万倍の強さのマイクロ波放射に対して機能し、さらに強い電界で損傷することはない。

未来はマイクロ波にある

急速に発展している量子テクノロジーは、さまざまな情報キャリアを利用している。超伝導接合をベースにした量子コンピューターはマイクロ波周波数で情報を保存し、量子メモリーは主に光フォトンをベースにしている。量子ネットワーク・アダプターと同様に、2種類のデバイス間の相互接続には、マイクロ波と光領域の両方で効率的に動作するインターフェースが必要である。リュードベリ原子は、その解決策としてここで紹介される。

単一光子マイクロ波操作は、宇宙マイクロ波背景の測定を通じて、遠方の天体の性質や初期宇宙の形状を研究する天体観測において重要である。これまで、マイクロ波光子の量子情報を保持する測定は不可能であり、マイクロ波から光への変換は、マイクロ波電波天文学の全く新しい分野を生み出すかもしれない。

日常的なマスコミュニケーションも、マイクロ波検出の発見から恩恵を受けることができる。次世代のモバイル技術は、従来の電気回路では放出や検出が困難な高周波のマイクロ波伝送帯域を多用することになっている。いつの日か、原子マイクロ波センサーが高速インターネット接続の重要な一部となるかもしれない。そのため、量子光技術センターQOTや世界中の科学研究機関では、超高感度マイクロ波検出に量子技術を採用する方法について研究が進められている。

今回発表された研究は、セバスチャン・ボロフカ、ウリアナ・ピリペンコ、マテウス・マゼラニク博士、ミハエル・パルニアク博士のチームによるものである。Michal Parniak（量子光技術センターQOT量子光デバイス研究室グループリーダー）のチームによるものである。著者はすべて物理学部の学生または卒業生である。学生や博士課程の学生はQOTで進行中の研究に参加することができ、その研究成果は博士論文、修士論文、学士論文の基礎となる。

この研究は、国立科学センターが資金提供するSONATA17プロジェクトの中心的な成果です。量子光技術」（MAB/2018/4）プロジェクトは、欧州地域開発基金の下で欧州連合（EU）の共同出資によるポーランド科学財団の国際研究アジェンダプログラム内で実施されている。UWのCentre for Quantum Optical Technologies（CeNT – the Centre of New Technologiesにホストされている）は、量子光学における最新の発見の実用化を追求する研究ユニットである。

ワルシャワ大学物理学部

ワルシャワ大学の物理学と天文学は、1816年に当時の哲学学部の一部として設立された。1825年には天文台が設立された。現在、ワルシャワ大学物理学部は以下の研究所で構成されている：実験物理学、理論物理学、地球物理学、数学メソッド学科、天文台である。量子物理学から宇宙論まで、現代物理学のほぼ全分野をカバーしている。同学部の研究・教育スタッフは250人以上。約1,100人の学生と170人以上の博士課程の学生がUW物理学部で学んでいる。ワルシャワ大学は、上海の世界学術ランキングによると、物理学の分野で教育を行っている世界の大学のベスト75に入っている。