研究紹介
丸文研究奨励賞 受賞者
松田 信幸

東北大学 大学院工学研究科准教授

光導波路素子を用いた量子情報デバイスの集積化と高機能化
光の集積回路を用いて量子の世界を切り拓く

研究の背景

研究の成果

プログラムすることで、電気回路のFPGA（Field-programmable gate array）のよう1. 万能光量子回路に回路構成を自在に組み替えることができ通信や、創薬や材料開発といった重要分（ユニバーサル線形光学回路）の実現るものである。
この光回路の実現により、実野における高効率な計算技術を提供する

光量子計算のための演算装置として、光験系の構築時間が数秒へと大幅に短縮さため、次世代の情報処理技術として注目を子の量子的干渉を制御するための大規模れるとともに、スキルフリー性のため理論研集めている。中でも光の量子である光子をな干渉回路が広く用いられる。
そのような光究者ですら実験を直接行うことが可能と用いた方式は、室温での動作や遠距離通干渉回路は、光学テーブル上にビームスプなった。実験においてはおよそ1,000通りの信が可能であることに加え、最近では現代リッタ、波長板、ミラー等の光学素子（線形回路パターンを実装し、量子論理ゲート回量子情報処理は、究極的に安全な暗号コンピュータよりも高速な量子計算（量子光学素子）を用いて作製される（図1a）。
しか路、量子もつれ回路、量子計算回路といっ超越性）が実験的に示される等、きわめてし、装置が大型であることや、干渉計動作がた様々な量子演算回路として動作させるこ優れた方式の一つである【1】。

振動に対して不安定であるといった課題がとに成功した【3,4】。この万能回路の設計はしかしながら、光学テーブル上に従来作あった。
また、目的に応じて複雑な光回路を1994年に提案されていたが、技術的要求製されてきた量子情報処理装置は大型か都度構築する必要があり、そのためには専水準が高く実現されていなかった。本研究でつ不安定であり、大規模化が困難であった門的な光学系設計技術や、ときに数週間〜は、成熟した商用光導波路回路技術を適用

【2】。
（図1a）
そこで本研究では、光通信デバ数か月程度の長い準備期間を要した。
そこすることで、高い動作精度とともに当該回路イスとして構築されてきたシリコン光導波路、で本研究では、光導波路回路技術を用い、を実現することに成功した。
また本デバイス

石英系平面光波回路、光ファイバ等の小任意の光干渉回路を実現可能な万能光

は、量子情報分野にとどまらず、古典的光情型光導波路素子を量子情報デバイスへと量子回路（ユニバーサル線形光学回路）

報処理や光通信等、光エレクトロニクス分野応用し、システムのチップ集積化や小型安【3】。
を実現した
（図2）
この光回路は、外部か全般において広く応用が可能である。

定化、高機能化を図った（図1b）。

ら入力する電気信号の組み合わせを適宜
2. 量子光源のチップ集積化と高効率化

図1 (a)従来の光量子情報処理装置と、その(b)チップ集積化のイメージ

2022年のノーベル物理学賞は量子もつれの研究者に贈られた。量子もつれとは複数粒子の状態間の非局所的な相関のことである。量子もつれ状態にある光子を発生する量子もつれ光源は様々な量子情報実験のための基本的なツールである。本
研究では、特によく用いられている光子の図2 万能光量子回路（ユニバーサル線形光学回路）

偏光状態に関する量子もつれを発生する素子を、シリコンチップ上に超小型化するこ【5,6】。とに初めて成功した（図3a）
この素子は、光子対と呼ばれる非古典的な光のペアを高効率に発生するシリコン光導波路と、光波の偏光を操作するシリコン偏波回転素子からなる独自の設計に基づく。実験の結果、本デバイスから高い水準の量子もつれ光子対を発生することに成功した。

図3 量子光源のオンチップ化 (a)偏光量子もつれ光源 (b)スローライト導波路による高効率光子対源

加えて、シリコン光導波路の光子発生効

図4 フォトニック結晶ファイバを用いた無損失単一光子波長変換率自体を向上する研究も実施した。
シリコン導波路にフォトニック結晶と呼ばれる構造を導入し、光の伝搬速度を真空中の1/40に遅くしたスローライト導波路を作製した（図3b）。スローライト効果により、励起光が導波路中のシリコンと相互作用する時間が長くなり、これにより光と物質の相互作用を大幅に増強することができる。本研究では、導形現象の決定論性に注目し、同現象を単課題も生じる。そのような課題の解決に向波路単位長さあたりの光子対発生効率を、一光子波長変換に適用することで、決定け、今後は光導波路の性能を「成熟」のさら従来より約2桁向上することに成功した論的な光子波長変換器を実現した。に先へと発展させることが必須であり、その取り組みが世界的に始まっている。
さらなる

【7】。
ほか、高非線形な2次元材料であるグラフェンから光子対を発生することにも初めて成功している【8】。

将来の展望
本研究では、光通信産業で培われた成3. 無損失単一光子波長変換器の提案と実証

熟した光導波路デバイス技術を量子情報研究の進展により、量子情報処理が困難な実問題を解決することができれば、超スマート社会にむけた革新的な情報処理技術となることが期待される。

分野に適用することで、デバイスの小型集謝辞

量子情報処理の要素技術である単一積化に加え、従来技術では実現が困難で光子の波長変換について、それまで実現さあった機能性や拡張性を実現することに成本研究は多くの方々のご支援、ご協力れていなかった常に効率100%での（光子功した【3-9】。現在、これらデバイスを一体化のもとに行われたものです。NTT物性科学

損失のない）変換手法を初めて提案し、実した量子情報処理システムの構築に向け基礎研究所、NTT先端集積デバイス研究

【9】。
証した
（図4）
光ファイバ伝送路中で光た研究を実施している。
しかしながら、光導所、東北大学、ブリストル大学をはじめとす信号のスペクトルや時間波形を歪ませる原波路を用いることで、自由空間中に比べてる国内外の研究機関の共同研究者の皆因である「相互位相変調」と呼ばれる非線光の伝搬損失が増加するといった新たな様に深く御礼申し上げます。

References（参考文献）【1】E. Pelucchi, G. Fagas, I. Aharonovich, D. Englund, E. Figueroa, Q. Gong, H. Hannes, J. Liu, C.-Y. Lu, N. Matsuda, J.-W. Pan, F. Schreck, F.
Sciarrino, C. Silberhorn, J. Wang, K. D Jöns, Nature Rev. Phys. 4, 194 (2022).
【2】N. Matsuda, R. Shimizu, Y. Mitsumori, H. Kosaka, K. Edamatsu, Nature Photonics 3, 95 (2009).
【3】J. Carolan, C. Harrold, C. Sparrow, E. Martín-López, N. J. Russell, J. W. Silverstone, P. J. Shadbolt, N. Matsuda, M. Oguma, M. Itoh, G. D. Marshall,M. G. Thompson, J. C. F. Matthews, T. Hashimoto, J. L. O'Brien, A. Laing, Science 349, 711 (2015).
【4】C. Sparrow, E. Martín-López, N. Maraviglia, A. Neville, C. Harrold, J. Carolan, Y. N. Joglekar, T. Hashimoto, N. Matsuda, J. L. O Brien, D. P. Tew, A.
Laing, Nature 557, 660 (2018).
【5】N. Matsuda, H. Le Jeannic, H. Fukuda, T. Tsuchizawa, W. J. Munro, K. Shimizu, K. Yamada, Y. Tokura, H. Takesue, Sci. Rep. 2, 817 (2012).
【6】N. Matsuda, H. Takesue, Nanophotonics 5, 440 (2016).
【7】N. Matsuda, H. Takesue, K. Shimizu, Y. Tokura, E. Kuramochi, M. Notomi, Opt. Express 21, 8596 (2013).
【8】Y. Yonezu, R. Kou, H. Nishi, T. Tsuchizawa, K. Yamada, T. Aoki, A. Ishizawa, N. Matsuda, Opt. Express 27, 30262 (2019).
【9】N. Matsuda, Science Advances 2, e1501223 (2016).