米国メリーランド大学共同量子研究所（JQI）の科学研究チームはこのほど、外部制御なしで複数色のレーザーを安定して変換して生成できる新しいチップの開発に成功した。このブレークスルーにより、半導体技術革命と歩調を合わせてフォトニック集積技術が推進され、量子通信ネットワークや精密光学機器の実用化への道が開かれることが期待されています。
科学者たちは長年にわたり、レーザー、レンズ、ミラーなどの大規模な光学実験ツールを小型化し、爪ほどの大きさのチップに統合することに懸命に取り組んできました。これらのデバイスの小型化は、データ通信速度の向上、超高精度の原子時計の作成、電子信号ではなく光を使用する量子コンピューターの拡張の鍵となります。しかし、単色レーザーを小さなチップ上の複数のコンポーネントに分割して複数の新しい周波数を生成する方法は、常にこの分野を悩ませている問題でした。
メリーランド州の研究チームはこの困難を克服しました。彼らは、単一色のレーザー光を 3 つの異なる周波数の光に変換するチップを設計し、構築しました。さらに重要なことは、このプロセスは外部アクティブ入力や複雑な微調整を必要とせず、統合された光信号の再現性と安定性が大幅に向上することです。関連する結果はサイエンス誌に掲載されました。
既存の色を分解することのみを担当するプリズムなどの従来の光学デバイスとは異なり、このチップは元々存在しない新しい光の周波数を「作成」できます。新しい光周波数の実現は非線形光学効果に依存しています。高強度の照明のみが材料の光学特性を変化させ、それが光自体に影響を与えます。このタイプの非線形効果は 60 年以上前に発見されましたが (1961 年の「第 2 高調波発生」など)、効果自体が弱すぎるため、これまで効果的に利用することは困難でした。
最新の集積フォトニック チップは、光が何百万回も循環する小さな共振空洞を使用し、非線形効果を大幅に強化します。しかし、それでも、チップの製造、温度、構造などの小さな変化により、出力周波数の組み合わせが非常に不安定になります。
JQI チームの新しいソリューションは、必要な非線形相互作用に「バイアス」を与える共振空洞を設計することにより、繰り返しの調整の必要性を完全に排除します。プロジェクトリーダーであり、JQI 研究者でメリーランド大学電気・コンピュータ工学・物理学科教授のモハマド・ハフェジ氏は、この成果は性能を向上させるだけでなく、量産や実際の統合に向けた再現性も提供すると述べた。このチップはアクティブ制御を必要とせずに同じスペクトルを継続的に出力できるため、大規模なフォトニックシステムの統合の難しさが大幅に簡素化されることが期待されます。
オンチップ周波数生成技術の信頼性が高まるにつれ、将来的には光子ベースの量子情報伝送の中核となる可能性があります。それぞれの光の色は固有の周波数に対応します。複数の周波数を原子レベルで安定して組み合わせることで、位相、距離、時間に敏感な検出の精度が大幅に向上し、量子コンピューティングやポータブル原子時計などの最先端分野に恩恵をもたらします。