東北大学の研究グループは,静的にも動的にも真にランダムな偏光状態にある単一光子を、ダイヤモンドを用いて発生させることに成功した。量子サイコロともいうべき真性乱数発生器の実現や量子暗号技術への応用が期待される。

 現在の情報通信技術では、ソフトウェアによって発生させた擬似的な乱数が通信の暗号化に用いられる。しかし擬似乱数の脆弱性から、物理的にランダムな現象により生成した真の乱数を使った暗号化が求められていた。今回の光子の無偏光状態は、その候補の一つ。しかし、ランダム性の検証には全ての偏光状態が等確率で起こること(静的ランダム性)に加え,時間的に隣り合う光子の偏光の間に相関が全くないこと(動的ランダム性)を確認する必要があり、動的ランダム性については評価法も確立されていなかった。

 そこで研究グループは、静的かつ動的な無偏光状態をダイヤモンド中の不純物欠陥である窒素-空孔中心を用いて実現し,その特性評価を行った。窒素-空孔中心へレーザーを照射すると、電子はExおよびEyと呼ばれる2つの状態のどちらかへ励起し、各々水平偏光および垂直偏光の単一光子が発生する。しかし室温では、2つの電子状態がランダムに混合されるため、無偏光状態にある光子の発生が期待される。また、無偏光状態を観測するため、試料の結晶面を工夫して窒素-空孔中心の軸方向から観測。さらに、動的無偏光性の評価方法を新たに開発して適用した。結果、静的にも動的にもほぼ完全にランダムな偏光をもつ光子を確認した。

 今回の成果は、量子力学の基礎問題の検証や量子暗号の技術開発を進展させ、また物理的な真性乱数発生装置へも応用できるとしている。

論文情報:【Scientific Reports】Dynamically unpolarized single-photon source in diamond with intrinsic randomness

東北大学

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大学ジャーナルオンライン編集部

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