太陽光でも『量子もつれ』が作れた! カナダ&独チームが94%達成

この夏、量子技術の常識をひっくり返す結果が届いた。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。

量子もつれは、離れた2つの粒子が瞬時に呼応するように振る舞う不思議な状態のことだ。従来これを安定して作るには、位相のそろった強いレーザー光が要ると信じられてきた。今回の実験は、その大前提そのものを揺さぶる。しかも入り口が「太陽の光」というのが、まったく新しい発想だった。安全な通信、超精密なセンシング、大規模な量子計算——研究チームが挙げる用途は、いずれも今後10年の情報インフラの中核候補ばかりだ。

『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。だから太陽光のように「あちこちの方向にあちこちの色が飛び交う」バラバラな光では、原理的に量子もつれは作れ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若手研究者だ。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。ある世界的に著名な研究者からは、「太陽光を使ったこの手の非線形光学プロセスでは、そもそも光子1個すら検出できないだろう。量子もつれなどなおさら無理だ」とまで言われたという。

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。理論的にそう見立てて、実験に踏み込んだのだ。

ボイド研究室が数年かけて練った理論は、量子もつれを支える情報を「光のどの性質に載せるか」を丁寧に分解する視点だった。位置・時刻・波長は乱れていても、偏光という一点だけ整えれば足りる。この見立てが正しければ、太陽光の「バラバラさ」は障害ではなく通過可能な壁になる。今回の実験はその想定への現場からの回答だ。

LED実験から一段階上げて太陽光へ挑む

チームを率いるロバート・ボイド教授のグループは、これに先立つ研究で「バラバラな光でも量子もつれを作れる」という原理を実験で示していた。使ったのはレーザーではなく、私たちの部屋にもあるLED(発光ダイオード)だ。LEDは色こそ単色に近いが、光の位相はレーザーほどそろっていない。それでも「偏光」の軸に絞れば、量子もつれの光子ペアが作れることを実証している。

今回はそのLEDを「太陽光」に置き換えた実験にあたる。難易度は跳ね上がる。LEDが数十ナノメートルの色帯域を持つ狭バンド光であるのに対し、太陽光は可視域全域で数百ナノメートルにわたる広帯域光だ。しかも進む方向も一様ではない。「色」も「進行方向」もバラバラなまま、いかに偏光だけをそろえて実験装置に届けるかが最大の壁になった。

チームは実験装置の設計で工夫した。色の違いや進行方向の違いが「偏光」の状態にほとんど影響しないような光路と結晶配置を選び、偏光の軸だけがきれいに保たれる条件を作り込んだ。「もつれが偏光にしか宿らないなら、色や方向のバラつきに引きずられない」というリー氏の予言と、この工夫がきっちり噛み合っている。

実験に太陽光を選んだ狙いは、単に「LEDの次はもっと難しいもの」ではない。太陽光は宇宙にも地上にも無償で降り注ぐエネルギー源だ。もしそれを直接ポンプ光として使えるなら、量子技術の「電源前提」を根本から書き換えられる可能性がある。段階を踏んだ挑戦は、はじめから応用を見据えていた。

家の窓ほどのレンズが1ミリの結晶へ光を集める

量子もつれを生む舞台となる非線形結晶は、大きさがわずか1ミリメートルほどしかない。ここに強い光を送り込まないと、光子ペアが十分な数だけ生まれない。ところが太陽光は明るい代わりに「広い場所に薄く広がる」光でもある。虫眼鏡で紙を焦がすようには、そのままでは1ミリの結晶に集められない。

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。ファイバーからそのまま非線形結晶に光を届ける仕組みで、じょうご状に光をぎゅっと絞る装置だ。窓ほどの入口から髪の毛ほどの出口へ——桁違いに大きな面積差を、一段のガラスでぐっと絞り込んでいる。

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。

SPDCは効率が極めて低いプロセスで、送り込んだ光の膨大な数のうち、ほんのわずかがペア光子として出てくるにすぎない。だから「集光の桁数」が結果を左右する。フレネルレンズと光ファイバーを組み合わせたこのじょうごが無ければ、太陽光からの信号は雑音に沈んでしまう。理論(オタワ大学)と装置(MPL)の役割分担が、成果をひとつの実験にまとめ上げた形だ。

94%一致とベルの不等式突破で『本物』と確定

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。結果、理想的にもつれた状態との類似度は約94%。レーザーを使った既存の実験と比べても、光の帯域幅の違いを差し引けば同等の性能だという。

さらに決定的だったのは、ベルの不等式を破る相関が確認できたことだ。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。実験値がその上限を超えていれば、観測された相関は古典的な考えでは作れない。つまり本物の量子もつれである、と言える。今回の結果はこの門を通り抜けた。

量子状態トモグラフィーは、写真のように状態を1枚に写し取る手法ではない。偏光の測り方の組み合わせを変えながら統計を取り、そこから「元の量子状態」を数理的に組み立て直す。CTスキャンが多方向から撮影して臓器の3次元像を作るのに近いイメージだ。94%という数値は、こうして再構成した状態が理想もつれ状態にどれだけ近いかを表している。

もつれを支えるのが偏光だけなら、その品質は光の進行方向や色のバラつきではなく、偏光の振動方向のそろい方で決まるはずだ——チームの理論はそう見立てていた。『バラバラな太陽光からでも高品質の偏光もつれが生まれる』というこの予測が、屋外の実験で決定的に裏付けられた形だ。理論と装置と統計手法という三つのピースが噛み合ったからこそ、94%という具体的な数字にたどり着いた。

宇宙の『無料の光源』で量子衛星が見えてきた

この成果の面白いところは、単に基礎科学の勝利にとどまらない点にある。リー氏はもう1つの視点を挙げる。「この技術は将来、衛星が宇宙にありふれた太陽光を使って、安全な暗号鍵を作れるようになるかもしれない。それは、搭載レーザーやその周辺装置の多くを省ける、ということでもある」。

量子鍵配送(QKD)は、盗聴を物理法則レベルで検知できる次世代の暗号インフラだ。人工衛星から地上に量子もつれ光子を配る計画はすでに動いているが、そこには強力なレーザーとそれを支える電源が要る。もし「宇宙で無料同然に得られる太陽光」でもつれ光子を作れるなら、衛星の重量・消費電力・冷却系のコストが同時に減る計算になる。太陽電池で稼いだ電力をレーザーに変換する回路を、太陽光そのものが肩代わりするイメージだ。

大型の量子コンピューターも同じ課題を抱えている。今のレーザー駆動の量子系はスケールアップするほど電気を食う。太陽光を「もつれ光源」に置き換えられる部分があれば、拡張しても電力の壁にぶつかりにくくなる。データセンター規模の量子計算機への道が、少しだけ楽になる可能性がある。

チームは今、屋外プロトタイプの明るさともつれの品質をさらに引き上げる作業に取りかかっている。SPDC以外にも、四波混合(FWM)などの非線形光学プロセスへ同じ発想が広がりうるという。太陽光を光源に据えるという選択肢が「量子技術のカタログ」に加わりつつある段階だ。センサー分野で言えば、微弱磁場・重力波・ダークマター探査のような超精密計測は電力コストが特に重い。太陽光もつれ光源はそこにも波及するかもしれない。

この発見をどう見るか——量子技術の『電気食い』を疑う一手

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と安定性を上げないといけないし、SPDC以外の手法でも同じ発想が使えるかは、これから確かめていくとされる。過度な実用化の断言は避けたい段階でもある。晴天でしか動かない光源をどう夜と組み合わせるか、宇宙空間の熱環境で装置が耐えられるかなど、地味だが実務的な壁も残っている。

それでも筆者は、この成果は流れの潮目に立つ研究だと考えている。ここ数年、量子技術は主に「性能」の物差しで測られてきたが、今後は「1ビットのもつれを作るのに何ワット消費したか」という省エネの物差しが並走するはずだ。今回の研究はその流れを先取りしているように見える。太陽光を光源に選ぶ発想は、装置の小型化と一体で「宇宙で使える量子技術」への直接ルートにもなる。個人的には、次の焦点は月面や深宇宙での自給自足型の量子通信網ではないか、とも見ている。

常識を疑い続けたチームが、家の窓ほどのレンズと1ミリの結晶で古典の壁を超えた。この事実は「量子技術は電気を食う怪物である」という前提そのものが動かせる、ということを静かに示している。太陽の光は、私たちが思っていたよりもずっと『整った顔』を持っているのかもしれない。屋外実験で得た94%という数字は、次に続く挑戦者たちが目安として抱えていく最初の物差しになるはずだ。