エルビウムドープ純正EuCl3・6H2O結晶を用いた通信網対応量子ノードへ

未来の量子インターネットを構築する

現代のインターネットは、光速で世界中を移動する古典的なビット（0と1）を伝送します。将来の「量子インターネット」は、代わりに壊れやすい量子状態を分配し、極めて安全な通信や強力な分散計算を可能にします。このビジョンを現実にするには、量子情報を確実に保持でき、既存の光ファイバーネットワークと通信できる特殊なハードウェアノードが必要です。本稿は、そのような量子ノードの中核を成しうる有望な固体材料を調べ、長寿命の量子メモリと日常的な通信ファイバーの接続を近づける研究を紹介します。

協力する二つの原子

本研究は主にユーロピウム（Eu）イオンからなる結晶に、少数のエルビウム（Er）イオンを意図的に導入した結晶を中心にしています。各イオンは情報を保持できる微小な量子系として振る舞います。ユーロピウムは量子状態を長く保持する点で優れていますが、標準的な光ファイバーで使われる波長で自然に光を放出しません。エルビウムはその逆で、長距離通信で用いられる約1.5マイクロメートル帯で自然に光を吸収・放出しますが、通常はコヒーレンス時間が短めです。これら二種を精密に制御した結晶内で組み合わせることで、エルビウムを光との親和性のあるインターフェース、ユーロピウムを堅牢な量子メモリとして同一固体内に共存させることを目指しています。

結晶内部の局所変化の観測

エルビウム原子を加えると、その周囲の結晶格子がわずかに歪み、近傍のユーロピウム原子の光吸収特性が変化します。研究者らは非常に高分解能のレーザー分光を用いて、吸収スペクトル中に現れる「衛星線」と呼ばれるごく小さな変化を検出します—光学周波数の数十億分の単位でシフトした余分なピークです。各衛星線はエルビウム近傍の特定の位置にあるユーロピウムイオン群に対応します。これらの線が温度や磁場でどのように移動・広がるかを測ることで、各ユーロピウム群がエルビウムの影響をどの程度受けているか、また異なる条件下でその影響がどのように変化するかをマッピングできます。

量子状態を静かで安定に保つ

中心的な課題はデコヒーレンスです：局所環境のランダムな揺らぎが壊れやすい量子状態を乱します。著者らはフォトンエコー技術を用いてこの問題を調べます。短いレーザーパルスの対や三連により原子アンサンブルを再位相化し、エコーを生成してその強度からコヒーレンスがどれだけ速く失われるかを明らかにします。極低温（約60ミリケルビン）では、エルビウムに近いユーロピウムイオンでも純粋なユーロピウム結晶に匹敵する光学コヒーレンス時間を維持することがわかり、添加したエルビウムが性能を著しく損なわないことを示しています。温度が約2ケルビン以上に上がると、エルビウム電子スピンの運動が余分な雑音を導入してデコヒーレンスを加速しますが、その振る舞いは定量的にモデル化できます。

磁場で運動を凍らせる

研究チームは磁場を印加し、結晶の周りで磁場の方向を回転させて、エルビウムスピンの強く方向依存な磁気応答を利用します。特定の磁場強度と角度では、エルビウムのスピン状態のエネルギー分裂が十分大きくなり、ほとんどのスピンが最低エネルギー状態に落ち着いて反転をやめます。この「凍結コア」は近傍のユーロピウムイオンの周りの磁気環境を静めます。最適な条件（およそ0.1テスラで特定の配向）では、ユーロピウムの光学コヒーレンス時間が概ね60マイクロ秒から約160マイクロ秒に伸び、励起状態の自然寿命で制限される理論限界に非常に近づきます。さらに注目すべきは、非常に長期の量子メモリとして機能しうるユーロピウムのハイパーファイン状態の寿命が1時間を超え、潜在的なコヒーレンス時間が約2時間に達することを示唆している点です。

実用的な量子ノードに向けた性能の最適化

これらの結果は、エルビウムドープされたユーロピウム結晶が、通信ファイバーに親和的でありかつ非常に長時間量子情報を蓄えられるハイブリッド量子ノードとして機能しうることを示しています。測定されたエルビウムと近傍ユーロピウムイオン間の相互作用（数十〜数百キロヘルツ程度）は、通信光子インターフェースと高密度のユーロピウムメモリ間で量子状態を制御転送する操作を想定するのに十分強い値です。著者らはまた実用上のトレードオフを強調しています：エルビウム濃度を増やせば光との結合は強くなりますが、雑音や結晶ひずみが増えてコヒーレンス時間が短くなるリスクがあります。ドーパント濃度、温度、磁場を慎重に調整することで、技術者は通常の光ファイバーを介して到来する量子信号を受け取り、結晶内部に数秒以上にわたって深く保存し、必要に応じて忠実に放出できる固体デバイスを構築できる可能性があり、それは将来のグローバルな量子ネットワークにとって重要な能力です。

引用: Guo, M., Xiao, W., Li, Z. et al. Towards telecom-compatible quantum nodes using erbium-doped stoichiometric EuCl₃ ⋅ 6H₂O crystals. npj Quantum Inf 12, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s41534-026-01203-4

キーワード: 量子メモリ, 通信（テレコム）光子, 希土類イオン, 量子中継器, 固体量子ビット