筑波大学と（独）物質・材料研究機構、独・ウルム大学などの共同研究チームは8月22日、次世代技術とされる量子コンピューターや量子暗号などの量子情報処理技術に道をひらく新技術を開発したと発表した。波長や偏光がそろっているなど互いに識別不可能な同一光子を放出する単一光子源を多数持つダイヤモンド薄膜の作製に成功した。光子同士の「量子もつれ」現象の実現など、量子情報処理の実現に欠かせない新展開につながると期待している。
■量子コンピューターなどに道
筑波大の磯谷順一名誉教授と物材研の寺地徳之主幹研究員らの研究チームが、炭素原子が規則正しく並んだダイヤモンド結晶中の炭素原子の一部をシリコン原子に置き換えることで作製した。
ダイヤモンド結晶は本来透明だが、炭素をシリコンなどの原子に置き換えると、その部分だけ色が付いて見えるカラーセンター（色中心）となる。今回、このカラーセンターを炭素原子1千億～1兆個あたり1個という極めて低濃度に含むダイヤモンド薄膜を作製することに成功した。
カラーセンターは、レーザー光などで刺激すると光の粒である光子を1個ずつ放出する単一光子源になる。試作したダイヤモンド薄膜では、薄膜中の異なる位置にある単一光子源から放出された光子でも波長分布が最大91％重なっており、光子として互に識別できない性質を持っており、安定し持続して発光する単一光源であることが確認された。
固体を用いて複数の位置から互いに識別できない光子を出す技術は、量子情報処理を実用化していくための基盤技術として欠かせない。単一の原子や分子をレーザーで刺激すれば単一光子源とすることができるが、いつでも光子を取り出せるようにするには毎秒100万個以上の光子を安定して放出させる必要がある。固体を利用した単一光子源として有機分子や半導体の利用も考えられているが、光子放出の安定性や明るさの点で問題があった。
これまで単一の原子や分子を用いる方法では、次の光子を放出するまでに時間がかかり、同時に2個の光子を発生することはできなかった。これに対し今回、化学気相成長法（CVD）と呼ばれる結晶成長技術を用いて作製した高純度のダイヤモンド薄膜の中に、シリコン原子を閉じ込めることでこれを実現した。
