デルフト工科大学とウィーン大学の研究者らが、量子力学的励起のための初の4ポート方向性結合器を実証しました。これはフォノニック回路の重要な構成要素となります。Optica Quantumに掲載されたこの研究では、単一フォノン用のフォノニックビームスプリッターとして機能する装置を発表しました。フォノンは、量子システムで情報を伝達できる量子化された機械的振動です。
この集積フォノニック方向性結合器は、シリコン・オン・インシュレーター・ウェハー上に構築され、フォノニック結晶導波路を進むギガヘルツ周波数の高度に閉じ込められたフォノンを使用します。この装置の設計は、小さな設置面積とミリ秒単位のフォノン寿命を可能にすることを意図しており、これらは他のプラットフォームと比較して主要な利点となります。研究者らは、単一フォノンのフォック状態を装置に送ることで、量子レベルでの性能を検証し、量子化された励起でも使用できることを確認しました。
この研究は、古典的および量子的応用の両方において、スケーラブルで集積化されたフォノニックプラットフォームに向けた基礎的な進歩を示しています。この装置は、フォノンを介して様々な量子システムを接続することを目的としており、ハイブリッド量子ネットワーク、オンチップ量子ルーター、超高感度機械センサーを可能にする可能性があります。この研究は、欧州研究評議会とオランダ科学研究機構の資金提供を受けています。
背景
本記事で扱う「フォノン」は、量子システムにおいて情報を伝達できる「量子化された機械的振動」です。通常の音波や振動が多数の粒子の集団的な動きとして記述されるのに対し、フォノンはエネルギーが最小単位（量子）で伝わる現象を指します。これにより、量子レベルでの精密な制御や情報処理が可能になります。
また、「フォニック結晶導波路」は、フォノンを特定の経路に沿って効率的に伝送するための構造です。記事によると、この導波路上をギガヘルツ周波数の「高度に閉じ込められたフォノン」が進みます。これは、振動エネルギーが狭い領域に集中し、損失を抑えながら伝達されることを意味します。
さらに、「4ポート方向性結合器」は、この導波路を進むフォノンの進行方向を制御する装置です。単一フォノン用の「フォノニックビームスプリッター」として機能し、量子化された励起状態でも正しく動作することが実証されました。これにより、異なる量子システム間での接続や、オンチップでの量子ルーターとしての応用が期待されています。
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2025年10月7日
