量子技術の分野では長い間、量子コンピューティングと安全な通信を支える粒子間のつながりである量子もつれには、レーザーが必要だと想定されてきた。レーザーはコヒーレントであり、その波はそろって進み、色は単一である。この規則正しさが、非線形結晶に光子を分割させてもつれ光子対を生み出すために必要だと考えられてきた。オタワ大学とマックス・プランク光科学研究所のチームは今回、太陽集光器を空に向け、屋外で普通の太陽光を使って量子もつれ光子を生成するという、最も直接的な方法でこの想定を覆した。
この実験は『Optica』誌に掲載されたもので、ロバート・ボイド氏のグループ内で10年にわたって続いた、コヒーレンスは実際には必要条件ではないという議論の集大成である。もつれは、光の性質の一つである偏光の中に存在できる。色や方向など他の性質が完全に乱れていてもかまわない。チームはまず、非コヒーレントでありながら偏光もつれ光子を生み出すLEDでこれを示した。太陽光はより厳しい試金石だった。太陽光はあらゆる方向に広がり、虹のような多様な色を含む。そしてこの分野で最も著名な研究者の一部は、太陽光駆動の非線形過程から光子が一つでも生じるかどうか、ましてやもつれ光子が生じるかどうかを疑っていた。
この装置は、混沌を集約する試みである。家庭の窓ほどの大きさのフレネルレンズが直射日光を集め、マックス・プランク研究所のハニエ・ファタヒ氏のチームが製作した円錐形のガラス製集光器が、その光を人の髪の毛ほどの太さの光ファイバーへと送り込む。空間的にも時間的にも依然として強い非コヒーレンスを持つ集光太陽光は、偏光された後、周期的分極反転構造を持つチタン酸リン酸カリウム結晶に導かれる。この結晶内で自発的パラメトリック下方変換により、個々のポンプ光子が偏光についてもつれた光子対に分割される。
結果は、本物の量子もつれの基準を満たす。量子状態トモグラフィーにより二光子状態を再構成したところ、1を最大のもつれとする尺度でコンカレンスは0.905±0.053、理想的なベル状態への忠実度は0.939だった。測定されたCHSHベルパラメータは2.54で、古典的限界である2を標準偏差の約2.5倍上回っており、局所的な隠れた変数による説明を排除する。ポンプ出力で規格化した光子対生成率は、レーザーポンプ方式の光源と同等である。
この成果の意義は、実用的な面と概念的な面の両方にある。レーザーはmW単位の光出力を生むためにW単位の電力を消費し、量子システムの極低温・真空インフラはさらにエネルギーコストを上乗せする。情報通信技術部門はすでに世界の温室効果ガス排出量の数パーセントを占めている。太陽光ポンプ方式の光源は、結晶の温度制御を除けば、電気エネルギーの投入なしで動作する初のもつれ光子源である。研究チームは人工衛星に注目する。衛星はろ過されていない太陽光を浴びており、現在は量子鍵配送用のレーザーを搭載している。太陽光駆動の光源なら、付随するハードウェアの多くを省ける可能性がある。同じ論理は、エネルギー負担を増やさずに量子コンピューティングを拡張する場合にも当てはまる。
概念的な意義はより微妙で、おそらくより重要である。この実験は、ある自由度における光源のコヒーレンスが、別の自由度で達成可能なもつれを制限しないことを示している。チームは、色や伝搬方向の違いが光子の偏光に影響しないように装置を設計した。理論は、もつれが偏光のみに存在する場合、重要なのはポンプ光の振動方向における規則正しさであり、ポンプ光の方向や色ではないと予測していた。実験はこの予測を自然光で裏付けた。
限界も正直に述べられている。実験は屋外で行われたため、天候や時間帯が結合パワーに影響した。チームはポンプパワーの日内変動を測定しており、関連する帯域内で結晶に供給される100～200 nWは、レーザーが供給する量のごく一部である。検出された光子対生成率は控えめで、ポンプ1 mW当たり毎秒約1,600対であり、太陽光の利用効率は結晶の狭い位相整合帯域によって制約される。光源を明るくし、位相整合を広げ、原理実証を実用可能なデバイスに変えるには、工学的な取り組みが必要になるだろう。
レーザーポンプ方式の光源との比較には、注意深いニュアンスが必要である。ポンプ光のスペクトル帯域で規格化すると、太陽光駆動の光子対生成率はレーザー方式のSPDCと同等である。違いは、レーザーがパワーを狭いスペクトル線に集中させるのに対し、太陽光はエネルギーを広いスペクトル全体に分散させるため、太陽光による絶対的な光子対生成率ははるかに低いことだ。チームの成果は、太陽光がレーザーより優れているということではなく、そもそも機能するということ、そして量子情報にとって重要な性質であるもつれの品質が同等であることにある。宇宙のように電力が豊富で無料で得られる用途では、このトレードオフは魅力的になる。衛星にはすでに太陽電池パネルがあり、集光器と結晶があれば、レーザーとその付随する電子機器を置き換えられる。
この成果には歴史的な流れもある。同じグループは、分野の懐疑に抗して、非コヒーレント光がもつれを生み出せると長年にわたって主張してきた。最初は理論で、次にLEDで、そして今度は太陽光で実証した。それぞれの段階で、実証は実験室から現実世界へと移ってきた。フレネルレンズと太陽追跡装置を備えた屋外装置は、天候に左右されるという点で、これまでにない種類の量子実験である。また、この成果はコヒーレンスともつれの基本的な関係を明確にし、この二つが自由度の間で切り離されていることを示している。これは初期の理論が十分に認識していなかった点である。
それでも、この実証は、多くの研究者が開かれる前から閉じているとみなしていた量子光学の一章を閉じる。チームが直面した懐疑、すなわち著名な研究者たちが太陽光駆動の下方変換による光子の検出さえ疑っていたことは、この成果の意味を際立たせる。もつれの物理は、実験室で最も高価な装置を必要としない。太陽の光で動くのである。
雅子 訳
出典: Li, C., Brar, J., Küblböck, M., Upham, J., Fattahi, H. & Boyd, R.W. Generating quantum entanglement from sunlight. Optica 13, 1508 (2026). DOI: 10.1364/OPTICA.601797. Preprint: arXiv:2602.15655.