光ファイバー内の単一光子生成、新たな量子通信技術の扉を開く

光ファイバーと単一光子生成の新たな可能性

東京理科大学大学院の清水魁人氏を中心とした研究グループが、光ファイバー内での単一光子生成に成功しました。この技術は、次世代の光量子通信ネットワークにおいて、高効率なデータ伝送を可能にする期待が高まっています。

光量子通信の重要性

量子通信技術は、量子力学の原理を利用することで、従来の通信システムよりも高い安全性を提供する可能性があります。特に、光ファイバーを用いた通信においては、光子を1つずつ制御可能な「単一光子光源」の利用が申し分なく重要となります。このような装置は、通信における情報のセキュリティを大幅に向上させる鍵を握っています。

従来の手法では、量子ドットなどの光子を放出する光源を光ファイバーの近傍に設置し、光ファイバーに接続して光子を導波させていました。しかし、この方法では接続のスムーズ性や効率性に課題がありました。

研究の新アプローチ

今回の研究では、光ファイバー自体に添加されている希土類原子の1つを選択的に励起する新たな手法が採用されました。レーザー光を光ファイバーの側面から照射することで、特定の希土類原子が選択的に励起され、この過程で直接的に光子を生成します。これにより、単一光子が光ファイバー内で効率的に導波されることが実験的に確認されています。

この手法では、光源が光ファイバーの内部に存在するため、外部に光子を取り出す必要がなく、生成された光子がファイバー内で直接伝送可能です。研究チームは、スマートな設計で新たな量子通信技術の発展に寄与することを狙っています。

使用した材料と方法

研究の主な素材として、ネオジム(Nd3+)イオンが利用されました。Nd3+イオンは、近赤外から光ファイバーの通信波長帯まで広範囲な発光波長を持つため、目的に応じた波長での光子生成が可能です。研究チームは、Nd3+イオンを添加した光ファイバーを細かく加工し、選択的に励起できるようにしました。測定の結果、Nd3+から放出された光子が、同じ光ファイバー内で高効率で集光されることが示されました。

今後の展望

この研究に関与した佐中准教授は「光源と通信ネットワークが統合された構造を実現することにより、光量子通信の可能性が大きく広がります」と語っています。単一光子光源と光ファイバーを一体化させることで、情報の安全性を高めた新たな通信手段の確立が期待されています。

今回の研究成果は、国際学術誌「Optics Express」に掲載され、量子暗号通信などの先進的な技術に対する期待をさらに高める結果となりました。今後、量子通信技術の普及と実用化が待たれる中、東京理科大学のこの研究は重要な一歩となるでしょう。