慶應理工の量子光エレクトロニクス 量子力学が切り拓く新しい光エレクトロニクスの可能性

半導体と光技術に
量子力学の原理を応用

原子や分子、電子、素粒子などの非常に小さな世界で起こる、古典力学では説明しきれない現象を扱う量子力学。理論の確立から 1 世紀近くを経て、実験によってその正しさが証明され、いまや人類が活用できる技術へと進歩を遂げつつある。早瀬潤子准教授は、光と半導体の量子力学的性質を制御する技術を開拓し、量子光エレクトロニクスの実用化に向けた研究に取り組んでいる。

「量子力学の最大の応用技術として注目されるのが量子情報技術です。量子力学的性質を活用できれば、遠く離れた場所へ一瞬で情報を伝える量子テレポーテーションや、現在のコンピュータでは何億年もかかる問題を超並列計算で一瞬にして解く量子コンピュータ、決して盗聴できない絶対安全な量子暗号システムなど、従来の情報技術では想像もしなかったようなことが可能になるのです」、と早瀬潤子准教授は言う。
早瀬さんの専門分野は量子光エレクトロニクス。 パルス光（一瞬だけ光るフラッシュのような光）と半導体ナノ構造を組み合わせ、光子＊と電子の量子力学的性質を自在に制御するための研究を進めている。
「現在の情報化社会は光エレクトロニクス（光電子工学）によって支えられていますが、量子力学の原理を十分活かしきれているとは言えません。量子力学的性質を制御し活用することができれば、従来の常識を覆すような新しい技術を創りだすことができるでしょう。その１つの例が量子情報技術です」。

私たちがパソコンや携帯、インターネットなどで利用するあらゆる情報は、 ご 存 じ の よ う に、“0” か “1” か のビットを最小単位として、その組み合わせ “01101…” で表わされている（図 1）。その “0” か “1” かを表現するのが、光や電流の強度（ON ／ OFF）だ。しかしそれは、光や半導体の性質のほんの一部を使った技術でしかない。そこで、世界中の研究者たちが期待しているのが、量子情報技術だ。量子力学の世界で起こる、“0でもあり 1 でもある” という摩訶不思議な現象が、これまで想像もしなかった情報技術を可能にするのだという。
「量子力学の概念を示すのに有名なのが『シュレーディンガーの猫』です（図 2）。箱 A の中に猫を入れて、毒ガス発生装置を仕掛けます。一方、箱 B にはランダムに作動するスイッチをセットしておいて、スイッチが入ると箱 A の毒ガス発生装置が起動するようにつなげておきます。一定時間が経過した後では、どちらかの箱を覗いて観測するまで猫が生きている（0）か、死んでいる（1）かわかりません。このような状態を “0 でもあり 1 でもある重ね合わせ状態” といい、これを情報の単位（量子ビット）に用いたのが量子コンピュータです。１つの量子ビットで 0 と 1 両方の処理が同時にできるので、たくさんの量子ビットがあると超並列計算が可能になるのです」。
もう１つの重要な概念が「量子もつれ」だ。「スイッチが入る前（B=0）なら猫は生きており（A=0）、入った後（B=1）なら死んでいる（A=1）。つまり『A が0 なら B が 0』『A が 1 なら B が 1』のどちらかですが、観測するまではわかりません。このような状態を “量子もつれ状態” と言います。箱 A と箱 B を空間的に離しておけば、箱 A を観測した瞬間に箱 B の状態が確定し、遠く離れた場所同士で情報を伝えることができる。これが量子テレポーテーションの原理です」。
重ね合わせ状態や量子もつれ状態といった量子状態は、蓋を開けるまではいくつかの可能性が共存しているが、蓋を開け、観測した瞬間に結果が確定してしまう。言い換えれば、量子状態は観測すれば壊れてしまうことを意味する。
「光子が暗号に活用できるのは、光子が最小の粒子で分割できないことに加え、仮に盗聴された（観測された）としても、量子状態が壊れるため、盗聴がわかってしまうからなんですね。また光子を使えば、非常に微弱なエネルギーで情報がやり取りできるため、究極の省エネルギー情報通信が可能となります」。

早瀬さんは現在、量子光エレクトロニクスの実現に向けて、半導体中の電子と光子の間で量子状態をやり取りしたり、それらの状態を制御したりするための実験を行っている（図 3）。しかし、光子のもつ量子力学的な情報を半導体に伝えるには、様々な課題が山積する。
「量子状態は非常に脆くて、アッという間に壊れてしまいます。量子状態を保持しながら、制御したり、移動させたりする必要があるのですが、それが非常に難しいのです」。
そこで注目されるのが、量子状態を保持し制御するのに適した半導体、半導体量子ドットだ。これは、最新のナノテクノロジーによってつくられる、10−8メートルという極微小な半導体の粒。小さな領域に電子を閉じ込めることで、あたかもその領域が１個の原子のような振る舞いをするため、１つ１つの電子の量子状態の制御や保持が容易になるという。
「量子ドットの特長は、サイズや形状によって特性を自由に変えられること。私の研究グループでは、特殊な手法を用いることで、光ファイバー通信で使われている光と強く相互作用する量子ドットを作製しています。他のグループよりもずっと長く、重ね合わせ状態を保持することにも成功しています」。
とはいえ、量子状態が時々刻々と壊れていくことは避けられない。そこで早瀬さんは、10 − 13 秒というとてつもなく短い時間に瞬間的に光を出すことができる超短パルスレーザーを超高速なフラッシュとして使うことで、量子状態が壊れる前に制御したり、量子状態が壊れていく様子を観測したりしている。超短パルスレーザーを用いることで、通常の光では起こらない非線形な現象を利用し、重ね合わせ状態や量子もつれ状態を制御することが可能になるという。
もっとも、光子１つに相当する光の強度は極微弱なので、光子と電子の間で狙い通りの効果を引き起こすことは非常に難しい。そこで、量子ドットをたくさん集めることにより、光子と電子の相互作用を高める方法を探っているという。
｢ 量子力学の面白さは、その可能性が計り知れないところ。数十年後の世界を飛躍的に変えるような大発見を目指して研究に取り組んでいます ｣。

ボート部で体力がつき、集中力が鍛えられたおかげだと思います。体力と集中力で、定期試験を一気に乗り切っていました。実を言うと、私は一度も塾に行ったこともないし、模試も1回しか受けたことがないんですよ。推薦入学に際しての試験も、計算などは一切出なくて、すべて「○○について説明せよ」という論文形式の試験だったので、なんて私向きの試験なんだろうと思ったほどです（笑）。

大学4年のときです。着任されてまだ2年目の江馬一弘先生の研究室に入ることにしたのですが、研究室では、超短光パルスを使った非線形分光という、世界でも最先端の研究を手掛けていました。大学3年生までは、答えの用意されている理論や実験について学びましたが、研究室では、世界でまだ誰もやっていないような実験を自分たちでやり、次々に新しい結果を出すことができました。研究室自体はできて2年目ということもあり、設備を整えたり、ルールを決めたり、装置を作ったりといろいろ大変でしたが、それだけ、やりがいもあり、非常に充実していましたね。研究室に泊まって、夜通し実験するということもよくありましたが、全く苦になりませんでした。一度集中すると、とことんやらないと気がすまないんです。
そうした環境に身を置いたことで、たんなる憧れから、研究者になりたいという思いが強くなっていったのだと思います。一見、私はおっとりしていると言われるのですが、結構、頑固者らしく、一度こうと決めたら譲らない性格なんですね（笑）。「大学を卒業したら就職して、いい人を見つけて結婚すればいい」という親の意見には全く耳をかさず、大学院の博士課程まで進むことにしました。

はた目で見ると、計画的にバリバリやってきたように見えるかもしれませんが、その場その場で、ただ好きなことを続けてきただけなのです。今後は、せっかく任期のない職についたのですから、時間のかかるチャレンジングな研究にも取り組んでいきたいですね。

普段は慌ただしく過ごしているので、オフのときは夫と一緒に買い物をしたり、旅行に行ったりして、ゆったり過ごすようにしています。研究にはやはり、体力と集中力が欠かせませんので、そのためには適度な休息が必要ですね。研究室の学生たちにも、やる時には集中してやる、休む時には休む、メリハリのある研究生活を送って欲しいなと思います。