何が起きたか
- グルノーブル・アルプ大学、CEA（IRIGとLETIの両研究所を含む）、Grenoble INP、そしてモンペリエ大学とCNRSに属するLaboratoire Charles Coulombの研究者らが、2026年10月28日に「Nature Communications」で、すべてシリコンでできた単一光子源を発表した。
- この光源はWセンターを使う。シリコンの結晶格子にある小さな欠陥で、円形ブラッグ回折格子キャビティの内部にナノメートル精度で配置されている。この構造は光を集め、向きを制御する。
- 発光波長は近赤外の1217ナノメートルで、飽和時には、検出された光子の数が毎秒129万個に達した。
- 弱いパルス励起のもとでは、光子は1個ずつ出てきて、純度は93%（±2%）だった。
なぜ重要か
- 光を使う量子技術には、一度にちょうど1個の光子を出す光源が必要だ。性能のよい光源の多くはヒ化ガリウムなど別の材料でできており、シリコンチップと統合しなければならない。
- シリコン製の光源は、半導体産業がすでに使っているプロセスで作れるため、量子フォトニック回路を大規模に生産しやすくなる。
- 相関の測定値 g(2)(0) = 0.06 は、2個の光子が同時に出ることがきわめてまれであることを示している。この種の光源が目指すのはまさにそこだ。
数字で見る
129万個。 連続励起のもと、飽和時に検出器が光源から1秒間に数えた光子の数だ。
背景
Wセンターのようなシリコン中の色中心は、量子エミッターとして長年研究されてきたが、光は弱く、集めにくい。キャビティはゼロフォノン線の発光を強める。これは光のうち量子応用に役立つ部分だ。
著者らは、飽和時には再励起の過程によって純度が下がることを観察し、これを解決するために選択的な励起方式を提案している。
集積フォトニクスは複数の方向で進んでおり、Mamíferoはそれらを報じてきた。赤外線でInGaAsに並ぶ量子ドットフォトダイオード、磁束量子で光子を数える日本の検出器、そしてシリコン回折格子が明らかにしたスミス・パーセル放射の隠れたキラリティーだ。コンピューティングの分野では、Quandelaがベトナムにフォトニック方式のマシンを納入する。
今後
- 次の目標は、互いに区別がつかず、必要なときに放出できる光子だ。複数の光子のあいだで量子演算を行うための要件である。
- 1217nmという波長は通信波長帯に近く、既存の光ファイバーを使いやすくする可能性がある。
- 同じウエハー上でこうした光源を多数、同一に作れるかどうかは、まだ示されていない。
まとめ
シリコンは産業界がもっとも作り慣れた材料だが、これまで競争力のある単一光子源がなかった。グルノーブルとモンペリエの研究は、純度も明るさも良好な光源を示した。残された一歩は、1つの光源から、同じチップ上の数百もの同一の光源へ進むことだ。
出典
- Lefaucher, B., Baron, Y., Jager, J.-B. ほか、“Bright and pure single-photon source in silicon by nanoscale positioning of a color center in a microcavity”、Nature Communications、2026年10月28日、DOI 10.1038/s41467-026-78809-x
- カバー画像：米国エネルギー省、パブリックドメイン、Wikimedia Commonsより
編集：Rodrigo Cornejo。選定と検証の方法：ノートを書いているのは誰か。