未来の大規模な量子コンピューターを実現する微細な新デバイス (Tiny new device could enable giant future quantum computers)

2025-12-11 アメリカ合衆国・コロラド大学ボールダー校

コロラド大学ボルダー校の研究チームは、髪の毛の100分の1程度の極小光学位相変調器デバイスを開発しました。これはレーザー光の位相を精密に制御し、数千〜数百万の量子ビットを持つ大規模量子コンピュータに必要なレーザー周波数制御を効率的に実現するものです。従来の大型・高消費電力の装置とは異なり、標準的なCMOS製造技術で量産可能であるため、大規模量子コンピュータや量子センシング、量子ネットワークなどの実装に向けた現実的な道を開きます。デバイスはマイクロ波振動を用いてレーザー光のフェーズを調整し、高い安定性と効率で新しい周波数を生成できることが示されました。成果は学術誌 Nature Communications に掲載されています。

未来の大規模な量子コンピューターを実現する微細な新デバイス (Tiny new device could enable giant future quantum computers)
Optical chip developed in the study with laser light from an optical fiber array. (Credit: Jake Freedman)

<関連情報>

CMOS製造光回路における可視光のギガヘルツ周波数音響光学位相変調 Gigahertz-frequency acousto-optic phase modulation of visible light in a CMOS-fabricated photonic circuit

Jacob M. Freedman,Matthew J. Storey,Daniel Dominguez,Andrew Leenheer,Sebastian Magri,Nils T. Otterstrom & Matt Eichenfield
Nature Communications  Published:08 December 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-025-65937-z

Abstract

Optical phase modulators operating at visible wavelengths are essential components for photonic technologies such as those for quantum control, communications, and laser ranging. However, they remain challenging to implement in scalable, integrated platforms capable of handling high optical powers. Here we present a visible-light, gigahertz-frequency acousto-optic phase modulator, fabricated on a 200-mm wafer in a volume CMOS foundry, that supports greater than 500 mW of optical power at 730 nm. The device combines a piezoelectric transducer and a photonic waveguide within a single, wavelength-scale structure that confines both a propagating optical mode and an electrically excitable breathing-mode mechanical resonance. By tuning the device’s geometry to optimize the optomechanical interaction, we achieve modulation depths up to 4.85 rad with 80 mW of applied microwave power at 2.31 GHz in a 2-mm-long device. This corresponds to resonant modulation figures of merit of Vπ = 1.32V and VπL = 0.26V cm. To our knowledge, this is the lowest Vπ ever demonstrated in any acousto-optic phase modulator and represents a 15-fold reduction in Vπ and a 100-fold reduction in required microwave power relative to state-of-the-art modulators with high visible-wavelength power handling commonly employed in quantum control systems.

0403電子応用
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