省エネオンチップ量子光メモリ素子に向け、電子と超音波のハイブリッド状態を実現：研究開発の最前線（2/2 ページ）

NTTと日本大学は、通信波長の光に共鳴する希土類元素のEr（エルビウム）を添加した超音波素子を作製することにより、数msの長い寿命を持つ光励起電子とGHzレベルの超音波が混ざった状態（ハイブリッド状態）を生成することに成功したと発表した。

[朴尚洙，MONOist]

7〜10年後には量子光メモリ動作の実証へ

　今回の研究成果で重要な役割を果たした技術は3つある。1つ目は、超音波素子の作製において、NTTの有する高品質なAlN圧電膜形成技術を活用したことだ。これまで内殻電子の光応答を機械振動で制御する際に用いていた機械振動子の周波数はMHzレベルにとどまっていたが、AlN圧電膜上に配置したくし型電極による表面弾性波で2GHzの超音波を利用できるようになった。

超音波素子の作製にAlN圧電膜形成技術を活用［クリックで拡大］ 出所：NTT

　2つ目は、同位体純化したErを用いて光吸収スペクトルを狭線化したことだ。一般的なErは複数の同位体が混ざった状態になっておりその光吸収スペクトルの線幅が1G〜3GHzに広がってしまう。今回用いた超音波素子では、質量数が170のErのみをYSO結晶に添加することで、光吸収スペクトルの線幅を500MHzに狭線化した。これによって、生成できる超音波の周波数2GHzと比べて光吸収スペクトルが大幅に小さくなり、ハイブリッド状態による吸収がはっきりと観測できるようになった。

同位体純化したErで光吸収スペクトルを狭線化［クリックで拡大］ 出所：NTT

　3つ目は、光周波数コムを用いたレーザー光の周波数安定化機構を日本大学と共同開発したことだ。レーザー周波数は、室温の変化などによりわずかにゆらぐが、Erの狭い光共鳴を測定するには、測定レーザー用の周波数を安定させる必要がある。そこで、周波数精度の非常に高い光周波数コムレーザーに測定用レーザーを同期させることで、測定用レーザーの周波数ゆらぎを1kHzから1Hzまで低減し、Erの光学特性を高精度に測定できるようにした。

光周波数コムを用いたレーザー光の周波数安定化機構［クリックで拡大］ 出所：NTT

　今回の研究成果は、省エネオンチップ量子光メモリ素子を実現する上で、光から電子への変換を超音波で制御するという、量子光メモリの書き込み制御の基礎的な手法を見いだしたことになる。今後は、ハイブリッド状態の均一性の向上、読み出し制御となる超音波を用いた電子から光への変換制御、量子光源（単一光子）の適用といった技術開発を経た上で、これらの技術を組み合わせることで量子光メモリ動作の実証が可能になる。量子光メモリ動作の実証まで7〜10年の期間がかかるという。

今後の展開［クリックで拡大］ 出所：NTT

　なお、今回の研究成果は、2024年1月18日付（現地時間）で米国科学誌の「Physical Review Letters」にオンラインで掲載された。

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