Yahoo! JAPAN

サンディア国立研究所（以下、サンディア）の研究者たちは、シリコンフォトニック・マイクロチップ・コンポーネントを用いて、原子干渉法と呼ばれる量子センシング技術を初めて実現した

これは、GPS信号が利用できない場合のナビゲーション用量子コンパスの開発に向けた最新のマイルストーンだ。

研究チームはこの研究成果を発表し、新しい高性能シリコンフォトニック変調器（マイクロチップ上で光を制御するデバイス）を「Science Advances」誌のカバーストーリーとして紹介された。

この研究は、サンディアの研究所主導型研究開発プログラムの支援を受けて行われた。この研究の一部は、国家安全保障分野における複雑な問題に対する統合フォトニクス・ソリューションを開発する共同研究センターであるNational Security Photonics Centerで行われた。

サンディア国立研究所の科学者ジョンミン・リー氏（左）が原子干渉計実験のためにルビジウム冷原子セルを準備している一方、科学者のアショク・コディガラ氏（右）とマイケル・ゲール氏はパッケージ化された単側波帯変調器チップの制御を初期化している。

GPS不要のナビゲーションは国家安全保障の問題

サンディアの科学者であるジョンミン・リー氏は、次のようにコメントする。

GPS信号が利用できない場合、正確なナビゲーションは現実世界のシナリオにおいて課題となります。

戦地では、このような課題は国家安全保障上のリスクとなる。電子戦部隊が衛星信号を妨害したり、なりすましたりして、部隊の動きや作戦を混乱させる可能性があるからだ。しかし、量子センシングであれば解決できる。

リー氏：量子力学の原理を利用することで、これらの高度なセンサーは加速度と角速度を比類のない精度で測定し、GPSが使えない場所でも正確なナビゲーションを可能にします。

チップスケール・レーザーシステムの中心となる変調器

サンディア国立研究所の4チャンネル・シリコンフォトニック・シングル・サイドバンド・モジュレータチップは、各辺が8ミリメートルで、緑色のサンディア・サンダーバード・ロゴが付いており、光ファイバー、ワイヤ・ボンド、セラミック・ピンを組み込んだパッケージ内に収められている

通常、原子干渉計は小さな部屋を埋め尽くすほどのセンサーシステムだ。完全な量子コンパス、より正確には量子慣性計測ユニットと呼ばれるものには、6個の原子干渉計が必要となる。

しかし、リー氏と彼のチームは、そのサイズ、重量、必要な電力を削減する方法を見つけた。彼らはすでに、大きくて電力を消費する真空ポンプをアボカド大の真空チャンバーに置き換え、通常は光学テーブルを挟んで繊細に配置されるいくつかのコンポーネントを単一の堅い装置に統合した。

この新しい変調器は、マイクロチップ上のレーザー・システムの目玉である。大きな振動にも耐えられる頑丈さで、通常冷蔵庫ほどの大きさの従来のレーザーシステムに取って代わるという。

レーザーは原子干渉計の中でいくつかの役割を果たすが、サンディアの研究チームは4つの変調器を使って1つのレーザーの周波数をシフトさせ、さまざまな機能を実行させている。

しかし、変調器はしばしばサイドバンドと呼ばれる不要なエコーを発生させるので、それを軽減する必要がある。

サンディアの抑制キャリア・シングル・サイドバンド変調器は、このサイドバンドを47.8デシベル（音の強さを表すのによく使われるが、光の強さにも適用できる）という前例のない値で低減し、その結果、ほぼ10万分の1になった。

サンディアの科学者アショク・コディガラ氏は、次のようにコメントする。

既存のものと比較してパフォーマンスが大幅に向上しました。

シリコン・デバイスは大量生産が可能で、価格も手頃

量子ナビゲーション・デバイスを普及させる上で、サイズ以外に大きな障害となっているのがコストである。すべての原子干渉計にはレーザー・システムが必要で、レーザー・システムには変調器が必要だ。

リー氏：市販されているフルサイズのシングル・サイドバンド変調器1つだけでも、1万ドル以上します。

かさばる高価なコンポーネントをシリコンフォトニックチップに小型化することで、こうしたコストを下げることができる。

コディガラ氏：8インチのウエハー1枚で数百個、12インチのウエハーならさらに多くの変調器を作ることができます。

リー氏：事実上すべてのコンピューターチップと同じプロセスで製造できるため、この洗練された4チャンネル・コンポーネントは、追加のカスタム機能を含めて、今日の市販の代替品に比べてはるかに低コストで大量生産することができ、量子慣性計測ユニットを低コストで製造することが可能になります。

この技術が実用化に近づくにつれ、研究チームはナビゲーション以外の用途も模索している。研究者たちは、地下の空洞や資源が地球の重力に与えるわずかな変化を検出することで、地下の空洞や資源を見つけることができないか調査している。また、変調器を含む彼らが発明した光学部品は、LIDAR、量子コンピューティング、光通信にも応用できると考えているという。

コディガラ氏：本当にエキサイティングなことだと思う。私たちは、様々なアプリケーションのための小型化において、多くの進歩を遂げています。

量子コンパスのコンセプトを現実のものにする学際的チーム

リー氏とコディガラ氏は、学際的なチームの半分を代表している。リー氏を含む半分は、量子力学と原子物理学の専門家で構成されている。もう半分は、コディガラ氏同様、シリコンフォトニクスの専門家である。

これらのチームは、サンディアのマイクロシステムズ・エンジニアリング・サイエンス・アンド・アプリケーション複合施設で共同研究を行っている。

サンディアの量子センシング科学者であるピーター・シュヴィント氏は、次のようにコメントする。

私たちには、この技術についてホールまで行って話すことができる同僚がいます。

原子干渉計をコンパクトな量子コンパスへと変貌させるというチームの壮大な計画は、学術機関の基礎研究とハイテク企業の商業開発のギャップを埋めるものだ。原子干渉計は実績のある技術であり、GPSを使わないナビゲーションのための優れたツールとなり得る。サンディアの現在進行中の取り組みは、これをより安定させ、実用化し、商業的に実行可能なものにすることを目指している。

ナショナル・セキュリティ・フォトニクス・センターは、産業界、中小企業、学界、政府機関と協力して新技術を開発し、新製品の発売を支援している。サンディアは数百の特許を取得し、さらに数十の特許を出願中だ。

シュヴィント氏：私は、これらの技術が実際のアプリケーションに移行するのを見ることに情熱を持っています。

同じ情熱を持っている、シリコンフォトニクスを研究するサンディアの科学者、マイケル・ゲール氏は、次のようにコメントする。

我々のフォトニクス・チップが実際のアプリケーションに使われるのを見るのは素晴らしいことです。

サンディア国立研究所