室温で動作する高速な光スイッチをIBMとスコルコボの研究者が開発
光スイッチング技術は、多くの用途で期待されているが、動作温度が高いことが進歩の妨げになっていた。現在、IBMとスコルコボ科学技術研究所の研究者らは、室温で動作し、毎秒1兆回の演算を可能にする新しい光スイッチングデバイスを開発した。

9月にNature誌に掲載された研究者たちの報告によると、「ナノテクノロジーと1分子分光法における最近の進歩により、コスト効率の高い有機量子光学技術が登場し、常温で動作する有用なデバイスへの応用が期待されています。。。今回の成果は、基本的な量子限界におけるサブピコ秒のスイッチング、増幅、全光学的論理などの実用化に向けた新たな地平を開くものです。」
IEEE Spectrumには、この研究についての簡単な説明が掲載されている。抜粋して紹介する。
「この新しいデバイスは、35ナノメートル幅の有機半導体ポリマーフィルムを2枚の高反射ミラーで挟んだものです。その結果、微小な空洞が形成され、入射した光が空洞の材料と結合するまでの時間をできるだけ長く保つように設計されています。」
「このデバイスの動作には、明るいポンプレーザーと非常に弱いシードレーザーの2つのレーザーが使われています。ポンプレーザーが微小空洞に照射されると、その光子が空洞の材料内の励起子(正電荷を帯びた正孔と結合した電子)と強く結合します。これにより、エキシトン・ポラリトンと呼ばれる短寿命の準粒子が生成されます。」
「エキシトン・ポラリトンの集まりは、ボーズ・アインシュタイン凝縮と呼ばれる、それぞれが1つの原子のように振る舞う粒子の集まりを形成することができます。シードビームからの光は、この凝縮体を、0と1の役割を果たす2つの測定可能な状態の間で切り替えることができるのです。」
この研究の上席著者であるモスクワのスコルコボ科学技術研究所の物理学者、Pavlos Lagoudakisは、IEEE Spectrumの記事に引用されている。「最も驚くべき発見は、最小の光量である1光子で光スイッチを作動させることができたことです。」そのスイッチング速度は、市販のトランジスタの100倍から1000倍と、はるかに高速である。
以下は、彼らの論文(Single-photon nonlinearity at room temperature)の抄録からのもう少し詳しい説明である。
「我々は、π共役ラダー型ポリマーを、光と物質のハイブリッド状態、いわゆる励起子-ポラリトンを形成する微小共振器に強く結合させることで、量子流体の性質を持つ励起子-ポラリトン凝縮体を作り出します。励起子-ポラリトンはボーズ統計に従うため、ボゾニックな刺激を受けると極端な非線形性を示しますが、我々はこの非線形性を単一光子レベルで引き起こすことに成功し、巨視的な凝縮体の波動関数を全光学的に超高速制御する効率的な方法を提供しました。ここでは、高エネルギーの分子振動を纏った安定な励起子を利用することで、常温での単一光子非線形操作を可能にしています。」
IEEE Spectrumの記事の中でLagoudakisは、全光学コンピュータの実現はまだ何年も先のことだと述べているが、今回の研究によって、古典的な電子コンピュータよりもはるかに高速に特殊な操作を行うことができる光学コンピュータデバイスである「光アクセラレータ」が比較的近いうちに実現する可能性があると述べている。光アクセラレータは、従来の電子計算機よりもはるかに高速に特殊な処理を行うことができる光学計算機であり、「大規模な並列処理に依存するスーパーコンピュータの計算上のボトルネックを解消するために利用できる可能性があります。」と述べている。
論文へのリンクhttps://www.nature.com/articles/s41586-021-03866-9
IEEE Spectrumの記事へのリンクhttps://spectrum.ieee.org/optical-switch-1000x-faster-transistors