通称「差ゼロ」！最小の量子光検出器をシリコンチップに統合可能

英国ブリストル大学の研究者らが、シリコンチップ上の最小の量子光検出器を開発した。これはシリコンチップ上に集積された量子光検出器であり、そのサイズは人間の髪の毛よりもさらに小さい。研究結果は2024年5月19日に科学誌「Science Advances」に掲載された。

このタイプの量子光検出器はホモダイン検出器と呼ばれ、室温で動作できます。量子通信、極めて高感度なセンサー（最先端の重力波検出器など）、一部の量子コンピュータに適しています。この統合は、量子デバイスの小型化と大量生産における大きな前進を意味します。

この技術の鍵となるのは、成熟した市販の製造技術を使用していることであり、これにより、センシングや通信などの他の技術への早期導入が可能になる可能性がある。研究者らは、この検出器は非常に高速化が可能であり、これは高速量子通信や光量子コンピュータの高速動作の実現に極めて重要であると述べている。

さらに、この検出器は小型で高速なだけでなく、感度も高く、量子を非常に正確に測定できます。研究者らは、新しい検出器の効率をさらに向上させ、さまざまな用途でテストする予定です。

この研究は、量子技術、特に量子コンピューティングや量子通信の分野における発展に新たな可能性をもたらし、量子技術を新たな発展段階に押し上げることが期待されます。

画像出典: ブリストル大学公式サイト

シリコンベースの量子光検出器には、従来の光検出器に比べて明らかな利点がいくつかあります。

まず、シリコンベースの量子光検出器の動作原理は、シリコン材料の光電効果に基づいており、シリコン材料は高い感度を持っています。これは、シリコンベースの量子光検出器が、非常に弱い光強度でも大きな電流変化を生成できるため、検出器の感度が向上することを意味します。

第二に、シリコンベースの量子光検出器は高度なマイクロエレクトロニクス技術を使用しているため、製造コストの面で大きな利点があります。さらに、シリコンベースの量子光検出器は他のマイクロエレクトロニクスデバイスとモノリシックに統合することもできるため、製品の信頼性と一貫性が向上します。

さらに、シリコンベースの量子光検出器には、パフォーマンスの面でも一定の利点があります。たとえば、シリコンベースの量子光検出器は、より高い応答速度とより高い量子効率を実現できます。これは、要求の厳しい特定の検出アプリケーションにとって非常に重要です。

最後に、シリコンベースの量子光検出器も、応用分野において一定の利点を持っています。シリコンベースの量子光検出器は、高感度、低コスト、高応答速度、高量子効率などの特徴を備えているため、航空宇宙、セキュリティ検査、医療、インテリジェント制御などの分野で幅広い応用が期待されています。

シリコンベースの量子光検出器は、感度、コスト、性能、応用分野で一定の利点を示しており、将来の光電検出市場で大きな可能性を秘めています。

シリコンベースの量子光検出器は、研究と応用においてさまざまな課題に直面しています。まず、多数の単一光子を処理するためには、高速で損失の少ない光スイッチングネットワークが必要ですが、この分野における技術的ニーズはまだ十分に満たされていません。第二に、シリコンベースのフォトニックチップ上に量子光源、回路、検出器を完全に統合することは大きな課題であり、特にポンプ光の除去と光子の低温操作の問題を解決する必要がある。さらに、シリコンベースのフォトニックチップの設計および製造プロセスには、コンパクトモデルの欠如、標準リンクモデルの欠如、必要な検証方法の欠如など、多くの問題があります。これらの問題は、非効率的な設計プロセスにつながります。

上記の課題に対応して、シリコンベースの量子光検出器の将来の改善の方向性としては、主に以下の点が挙げられます。

光スイッチングネットワークの性能向上：大規模な量子情報処理をサポートするために、より効率的で損失の少ない光スイッチング技術を研究開発します。

統合技術の改善: 低温で動作できるシリコンベースのスイッチング技術など、シリコンベースのフォトニックチップ上に量子光源、回路、検出器を統合するための新しい技術を探求します。

設計プロセスの最適化: デバイスシミュレーション、システムシミュレーション、レイアウト設計、準備テストなど、シリコンベースのフォトニックチップの設計プロセスを改善し、設計効率と参照可能性を向上させます。

材料と製造プロセスの改善: シリコンベースの量子光検出器の性能と信頼性を向上させるために、新しい材料と製造プロセスを研究開発します。

産業チェーンの構築を強化：フロントエンド統合、バックエンド統合、ハイブリッド統合などの複数の統合ソリューションを含む完全なシリコンベースのオプトエレクトロニクス産業チェーンを確立し、高性能製品の量産を実現します。

シリコンベースの量子光検出器は、量子情報処理の増大するニーズを満たすために、今後も性能、統合技術、設計プロセスの最適化の面で改善され続けるでしょう。

参考文献:

1. 最小の量子光検出器をシリコンチップに統合可能 - 中国科学技術ネットワーク

2. マイクロ量子光検出器：高速量子通信への新たな扉を開く - Byte Click

3. 量子技術の新たなブレークスルーにより、シリコンチップ上に小型量子光検出器が統合される - NetEase

4. 研究者らは世界最小の量子光検出器をシリコンチップ上に集積した