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Oct 28, 2023

全て新規

La tecnologia quantistica consente cose fondamentalmente nuove e promette di rivoluzionare la società

量子テクノロジーは、通信、センシング、コンピューティングのための根本的に新しい方法を可能にし、社会に革命を起こすことを約束しています。 それは、科学がさまざまな意味で概説し始めたばかりの可能性の世界です。

たとえば、量子暗号が実現できれば、凶悪なハッカーに対して比類のないレベルのデータ セキュリティが提供されるでしょう。 それは、量子情報はコピーや測定ができない光子（単一の光の粒子）に符号化できるためです。 侵入者はすぐに摘発されてしまいます。

しかし、科学者が最初に克服しなければならない量子暗号の高いハードルの 1 つは、量子ネットワーク (つまり量子インターネット) に確実に供給できる方法で光子を生成する能力です。

今回、カリフォルニア大学バークレー校電気工学・コンピュータ科学部のチェンミン・フー准教授であり、ローレンス・バークレー国立研究所（バークレー研究所）の材料科学部門の科学者であるブバカール・カンテ率いる研究者チームが、初のオンデマンドの実証を行った。シリコンを用いた量子光源。 カンテ氏は、シリコン（毎日何百万個もの小型電子デバイスが製造される材料）は、知られている中で最も「拡張性の高い」オプトエレクトロニクス材料であると述べている。

彼らの研究は本日、Nature Communications 誌に掲載されました。

「量子光の光源としてシリコンを使用できる可能性は、今日のオプトエレクトロニクスおよび人工知能（AI）デバイスの中核をなす現在の大規模な相補型金属酸化膜半導体（CMOS）チップ製造プロセスが、将来の量子システムに直接使用できる可能性があることを意味します」 」とカンテは語った。

1970 年代後半以来、量子暗号用の多くの有望な単一光子放出量子デバイスが実証されてきました。 これらには、量子ドット、ワイドバンドギャップ材料のカラーセンター、非線形結晶、原子蒸気セルなどのエキゾチックな材料科学が含まれます。

しかし、数十年にわたる研究にもかかわらず、量子インターネットに供給する量子光源の明確な勝者はいません。

大規模な量子インターネットには、明るく効率的な量子光源だけでなく、既存の光ファイバー内を吸収されることなく伝播できる光子も必要になるとカンテ氏は説明した。 現在入手可能な光源は、この高い基準を満たすことはできません。 現在統合された「古典的な」光源で起こっていることと同様に、CMOS 互換プラットフォームとの統合にはすべてエネルギー変換が必要です。

しかし、量子デバイスをCMOS互換プラットフォームと統合するという課題は、従来のシステムよりもさらに重大であるとカンテ氏は述べた。 それは、各界面で、最小限に抑える必要がある量子光の損失が許容されるためです。

カリフォルニア大学バークレー校/バークレー研究所チームによって開発されたオンデマンドシリコン量子光源は、Gセンターとして知られる単一シリコン原子発光中心をシリコンナノフォトニックキャビティに直接統合することを実証する最初の実験研究であるとカンテ氏は説明した。

「今回の研究では、人間の髪の毛の10分の1以下のサイズのシリコンフォトニックキャビティ（1ミクロン）に、原子（1オングストローム）のサイズの原子欠陥をシリコンに埋め込むことに初めて成功しました。 「原子は強制的に明るくなり、より速い速度で光子を放出します。これらは、将来の[量子]インターネットのためのスケーラブルな量子光源に必要な要素です」と彼は述べた。

単一光子エミッターの製造を成功させるには、炭素が注入された商用グレードのシリコン ウェーハから始まる、制御された製造シーケンスが必要です。 注入に続いて、リソグラフィー、エッチング、熱アニーリングが行われます。これらはすべて、今日の半導体ファウンドリで利用できる標準プロセスです。

カンテ氏によると、課題は、原子放出中心を作成し、その密度と分布を制御して光空洞とうまく重なるようにすることにあるという。 チームはいくつかの重要な課題を克服しましたが、改善が必要であり、多くの疑問がまだ解決されていません。

左から右へ：ローレンス・バークレー国立研究所分子鋳造所のブバカール・カンテ、クリストス・パパパノス、カウシャリヤ・ジュリア、ワリド・レジェム、トーマス・シェンケル、ウェイシュ・カロニー、フセヴォロド・イワノフ、イェルタイ・ジエンバエフ、ウェイ・リウ、リャン・タン、プラビン・パラジュリ、スコット・デューイ。 (バークレー研究所の写真)

バークレー研究所の研究者トーマス・シェンケル氏は、「単一の発光中心の生成中に、アニーリングプロセスによって量子特性の変動が生じることがわかり、これらの特性を制御する重要なパラメータが理解できるようになった」と述べた。

カンテ氏のグループの博士研究員ワリド・レジェム氏は、シリコンの使用は直感に反するものだと語った。 「シリコンはいわゆる間接バンドギャップ半導体です。つまり、発光には好ましくありません。例えば、シリコンを使った効率の良いレーザーはありません。」

しかし、現実は古典的な光源にのみ適用されることが判明しました。 「量子光源にとっては問題ではない」とカンテ氏は語った。 彼と彼のチームはすでに、オールシリコン量子光源のさらなる改良に熱心に取り組んでいます。

この研究は、Redjem氏と博士研究員Wayesh Qarony氏、博士課程3年生のYertay Zhiyenbayev氏が主導した。 カンテのグループの学生。 他の共著者には、シェンケル、フセヴォロド・イワノフ、クリストス・パパパノス、ウェイ・リウ、カウシャリヤ・ジュリア、ザカリア・アル・バルシ、スコット・デューイ、アダム・シュワルツバーグ、リャン・タンが含まれます。

国立科学財団とエネルギー省がこの研究に主な支援を提供しました。 追加の資金は、海軍研究局、ムーア発明家フェロー プログラム、およびカリフォルニア大学バークレー校のバカール フェローシップから提供されました。