フェムト秒レーザ直描導波路で作るガラス量子回路

トマス・ミーニィ

ガラスに短パルス幅レーザを照射する非線形吸収により、集積フォトニクスを描画することができる。量子集積フォトニクス（QIP）デバイスが、この技術を利用して製造されようとしている。

量子情報科学（QIS）が、大きな資金と熱狂を集めている。英国では、2億7000万ポンドの資金が、特に量子を使うことで可能になる技術に割り当てられた。このような関心と投資の理由に含まれるのは、破壊的な将来性への見通し、前世紀を超える意義深い加速度的な進展である。量子力学の理解と応用における最初の進展は半導体技術の開発とその実用的な利益だった。しかし、今世紀は、本質的に粒子の量子力学的振る舞いを基にした技術的イノベーションにつながっていく。
　例えば、量子ビット、キュビットをシングルフォトンの偏光にエンコードすることに可能性が存在する。これは当然である。なぜなら、フォトニクス研究者としてわれわれは、波長板を利用して通常、電界の垂直（V、ビットの1に相当）偏波と水平（H、ビットの0に相当）偏波を操作しているからである。われわれは、これらの状態の極めて不確実な重ね合わせにも精通している、つまり0と2πの間の水平偏向状態と垂直偏向状態によって記述する楕円偏光ビームである。
　この記事では、情報キャリアとしてフォトンを利用することの展望について説明する。特に、フェムト秒レーザ直描技術を用いて作製する光回路におけるフォトンの利用だ。このアプローチは、QISのいわゆる「究極目標」、量子コンピューテーションに好都合であるだけでなく、通信にとっては当然の選択である。
　フォトンをチップ上の導波路に閉じ込めることで、入れ子型の干渉計コンポーネントに安定した環境が得られる。つまり、フォトンは量子デコヒレンスを起こすことも、無作為に周辺環境と相互作用することもない。実際、量子のコヒレンスタイムは極めて長く、宇宙から来るフォトンでさえ偏向方向を表示することがあるので、いかなる量子技術においてもフォトンは何らかの役割を果たすことになりそうだ。

ガラスに導波路を描く

集積オプティクスは、量子フォトニクス分野では重要な展開であり、入れ子型干渉計の安定化に見通しを与えている。この干渉計は、キュビットの操作、究極的にはキュビットの相互作用を扱う際に必要不可欠である（入れ子型の干渉計は、そのアームの1つに第2の完全な干渉計を含んでいる）。集積オプティクスによって造られた小型サイズは、言うまでもなく、研究室から出て実験を行い、実用的な技術とするためにも極めて重要である。これらのオンチップ光回路は、主に全反射プロセスで動作する（フォトニック結晶のバンドギャップ閉じ込めを使う代替法も通常用いられるが、ここでは触れない）。
　様々な集積デバイス利用されているが、これは最先端の光インタコネクトや通信分野で起こっていることの反映である。オンチッププラットフォームの多様な範囲によって、QISの進歩が加速されている。リッジ、埋め込み、フォトニック結晶導波路構造が、シリコン、ガリウムヒ素（GaAs）、シリコンカーバイド（SiC）の半導体、ダイヤモンドでさえ実証されている。さらに、結晶材料を用いて導波路回路が作製されている。リチウムナイオベートは2次の光非線形性によって高速スイッチングやフォトン生成機能を実現する。
　しかし、ガラスも、低損失伝送と光ファイバとの効率的な結合が可能であるので、QIS実験には便利なプラットフォームである。この特性の価値を過大評価することはできない。と言うのは、集積光プラットフォームで可能になる光機能の複雑さは別にして、フォトンが効率よく取り出せなければ実用にならないからである。
　いわゆる「量子複製不可能」定理が、量子情報の増幅を不可能にしている。その結果、量子情報システムの全てのフォトンが貴重になる。実際、集積量子フォトニクスの最初の実証は、ガラス導波路を利用して、まさにガラスの効率的な特性を十分に引き出した（1）。
　ガラス導波路は、フォトリソグラフィ技術を利用して作製した。この技術は、効果的ではあるが、現在の新しいプロトタイプデバイスのデザイン用には、新しい構造それぞれに対して新しいマスクを作製しなければならない。これは、プロトタイピング処理としては時間とコストがかかる。
　ガラスに導波路を形成する代替技術は、フェムト秒レーザ直描（FLDW）技術と言う。これは、透明材料において、レーザ強度が高いときに起こる非線形吸収プロセスを利用している。その結果、透明材料の表面下に集光すると、非線形効果を起こし、吸収がレーザ焦点に高度に局所化される。
　この吸収プロセスは非常に複雑であり、結果として得られる材料の特性は、そのレーザ強度に依存する。高強度では、損傷やボイド形成さえも起きるが、中強度では周期的なサブ波長構造が観察できる。レーザ焦点に対して基板を平坦に移動させることによって導波路を形成することができる（図1）。これは3次元で起こるので、この技術は多様な深さの低損失導波路デバイスを簡単に作製できる（2）、（3）。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2014/10/fea3-_LFWJ201409-6.pdf