レーザーの代わりに太陽の光で、量子もつれの光子ペアを作れた

文・パクト

カナダのオタワ大学とドイツのマックス・プランク光科学研究所(MPL)の共同チームが、研究所の屋外に持ち出した装置で、太陽光から量子もつれ状態の光子ペアを作ることに成功した。

理想的にもつれた状態との一致度は約94%と、レーザーで作った場合と比べても遜色ない値を示している。

研究は2026年8月6日付で学術誌『Optica』(第13巻第8号1508ページ)にオンライン掲載された。

作られたのは、2個の光子の偏光(光が振動する向き)がもつれた光子ペアだ。従来、こうしたペアを作るには、波の位相がそろった光、ふつうはレーザーが必要だと考えられてきた。

論文は冒頭で、量子技術と既存の情報通信基盤をつなぐ際に消費電力が深刻なボトルネックになりうると述べ、その大きな要因はレーザーだと指摘している。

今回はそのレーザーの代わりに太陽光を使った。

『太陽光では無理』を疑い続けた実験

量子もつれを作るには、光の波が同じリズムで進む「コヒーレント光」が要る、というのが長らくの定説だった。

レーザーはまさにこのコヒーレント光を大量に吐き出す装置で、位相と色を精密にそろえられる点で他の光源とは一線を画す。

一方、太陽光はさまざまな方向へ進み、さまざまな色を含む。このため、レーザーの代わりにはならないと考えられてきた。

今回の第一著者であるチェン・リー(Cheng Li)氏は、オタワ大学を最近修了した研究者だ。彼は「この研究を始めた当初から、私たちのアイデアには繰り返し疑問と反対がぶつけられた」と語る。

リー氏によると、この分野の著名な研究者の中には、太陽光で駆動する非線形光学の過程から光子を1個でも検出できるのか、まして量子もつれなどできるのか、と疑う人もいたという。

それでもチームは、光のそろい方(コヒーレンス)には独立した複数の「軸」があることに着目し続けた。

光が進む方向や色がバラバラでも、光の振動方向(偏光)だけがそろっていれば、その一点だけで量子もつれを生む可能性がある。

LED実験から一段階上げて太陽光へ挑む

オタワ大学のロバート・ボイド氏のグループは、これに先立つ研究で、光がある性質で乱れていても別の性質ではもつれた光子ペアを作れると理論で予測し、実験でも示していた。

使ったのはレーザーではなくLED(発光ダイオード)だ。論文はこれを、偏光はそろっているが空間的・時間的にはインコヒーレントな光源と呼んでいる。

今回はそのLEDを太陽光に置き換えた実験にあたる。太陽光はさまざまな方向へ広がり、含まれる色の幅も広いので、LEDよりずっと難しい相手になる。

チームは、色や進む方向の違いが光子の偏光に影響しないように、実験装置を設計した。実験で使った太陽光は、偏光が強くそろっている一方で、空間的にも時間的にもインコヒーレントだったという。

リー氏はこの狙いを次のように説明する。

「理論が予測するとおり、もつれが偏光だけにあるなら、それはポンプ光の振動方向のそろい方だけに左右され、進む方向や色には左右されません。これにより、空間的にも時間的にも非常にインコヒーレントな太陽光から、高品質の偏光もつれを作ることができました」

窓ほどのレンズで小さな結晶へ光を集める

量子もつれを生む非線形結晶は、大きさが約1ミリメートルしかない。ふつうの方法で太陽光を集めても、この小さな結晶には十分な光を当てられない。

そこでMPLのハニエ・ファッタヒ氏のチームが新しく設計したのが、円錐形の全ガラス集光器だ。

入り口には家庭の窓ほどの大きさのフレネルレンズが付いていて、そこで受けた太陽光を、出口では髪の毛ほどの太さしかない光ファイバーに押し込む。

集光部はフレネルレンズ、スペクトルフィルター、円錐形の集光器からなり、太陽光を必要な波長の範囲に絞ってからファイバーに入れる。

光は光源部に送られ、ppKTPという非線形結晶を励起する。

結晶に入った光子は自発パラメトリック下方変換(SPDC)と呼ばれる過程で、確率的に2個の光子ペアに分かれる。この段階で偏光の量子もつれが生まれる。

ポンプ光の役目は通常なら位相のそろったレーザーが受け持ってきたが、今回はその代わりに、円錐集光器を通ってきた太陽光をぶつけたわけだ。

光子ペアの発生率は、ポンプ光1ミリワットあたり毎秒約1600組だった。ポンプ光の帯域幅の違いを考慮すると、レーザーで励起したSPDCと同程度だと論文は述べている。

この成果は、オタワ大学のボイド氏のグループの理論と、MPLのファッタヒ氏のチームが作った集光器を組み合わせたものだ。

忠実度94%、ベルの不等式も破った

MPLの屋外で行われた実験で、チームは量子状態トモグラフィーという手法を使って、生まれた光子ペアのもつれの品質を測った。

測定は3日に分けて行い、結果はその平均だ。

結果、理想的にもつれた状態との類似度(忠実度)は93.9%(誤差±2.7%)。もつれの強さを表すコンカレンスは0.905(±0.053)、状態の純度は0.919(±0.045)だった。

さらに、ベルの不等式を破る相関も確認された。ベルの不等式は「古典物理学だけで説明できる相関の上限」を示すもので、指標Sが2を超えれば古典的な考えでは説明できない。

今回の値はS=2.54(誤差±0.22)で、上限の2を超えていた。論文によると、超えた幅は標準偏差の2.49個分にあたる。

量子状態トモグラフィーは、偏光の測り方の組み合わせを変えながら光子ペアの同時検出を数え、そこから二光子状態を数学的に組み立て直す手法だ。

94%という数値は、こうして組み立て直した状態が理想的なもつれ状態にどれだけ近いかを表している。

衛星や北極圏での利用を考える理由

応用の見通しについて、リー氏は次のように語る。

「この技術はいつか、宇宙にすでに豊富にある太陽光を使って、衛星が安全な暗号鍵を作れるようにするかもしれません。そうなれば、搭載レーザーと、それを支えるハードウェアの多くが要らなくなります」

論文は、ベルの不等式の破れが量子通信路の安全性の保証や、量子イメージング・計測に使えると説明している。

論文は、太陽光で直接ポンプすれば、極端な温度や放射線に耐える設計が必要な高価な宇宙用太陽電池と、耐久性に問題が出うるレーザーダイオードへの依存を減らせる可能性があるとしている。

チームは今、実験室の外で使える装置に向けて、明るさともつれの質をさらに高める作業に取りかかっている。SPDC以外にも、四波混合(FWM)などの非線形光学の手法へ同じ発想が広がりうるという。

まだ原理の実証段階

今回の実験はまだ「原理の実証」段階だ。

屋外に持ち出したとはいえ、実用化にはさらに明るさを上げ、もつれの質を高める必要があるとチームはしている。

論文は、今回の装置が実際に配備できる構成ではないと断ったうえで、環境への耐性、日照の変動、太陽の追尾、大きさ・重さ・電力、放射線への耐性、熱管理、小型化といった工学的な課題を挙げている。

また、システムは完全に光学的ではない。結晶の温度調節は電気で行い、集光器の太陽追尾には電動モーターを使っている。

それでも論文は、最終的にはレーザー方式より全体の電力効率が上がる可能性があるとしている。

論文は結びで、今回の結果が、北極圏や、惑星間ミッションの衛星のような資源の限られた環境での利用に道を開くと述べている。