量子コンピュータは、一度でも値段を調べたことがある人なら誰でも知っているように、面倒な代物だ。絶対零度（-459°F）近くの温度が必要で、これは深宇宙の温度であり、偶然にもほとんどの人のこの技術に対する忍耐力の温度でもある。しかし、スタンフォード大学の研究者たちは、光と電子の量子特性を結びつけることで室温で動作するナノスケールの光学デバイスを開発した。これにより、極低温施設を必要とせずに長距離情報伝送が可能な、より小型で安価な量子技術が実現する可能性がある。
このデバイスは、量子通信の基本要件である光子（光の粒子）と電子の間のエンタングルメントを可能にする。スタンフォード大学の材料科学工学教授で、Nature Communicationsに掲載された研究の上級著者であるJennifer Dionne氏は、材料自体は新しいものではないが、その使い方が新しいと指摘する。「これは、電子と光子の間の非常に汎用性が高く安定したスピン結合を提供し、それが量子通信の理論的基盤です。しかし、通常は電子のスピンが速やかに失われて実用的ではありません。」そこで彼らはそれを修正した。
この装置は、薄いパターン化された二セレン化モリブデン（MoSe2）層とナノパターン化されたシリコン基板を組み合わせている。二セレン化モリブデンは遷移金属ダイカルコゲナイド（TMDC）と呼ばれるファミリーの一部で、その光学特性と量子特性で高く評価されている。シリコン・ナノ構造は、研究者が「ねじれた光」と呼ぶものを生成する。論文の筆頭著者である博士研究員のFeng Pan氏は次のように説明する。「光子はコルクスクリューのように回転しますが、さらに重要なのは、これらの回転する光子を使って、量子コンピューティングの中心である電子にスピンを付与できることです。」つまり、これは非常に小さく、非常に精密な光ねじり機なのだ。
パターン化されたナノ構造は、可視光の波長程度の大きさで、肉眼では見えないが、光子を操作してスピンアップまたはスピンダウンさせるために重要である。このねじれた光は電子スピンとエンタングルし、量子情報の構成要素である量子ビットを生成する。従来のコンピューティングでは0と1だが、量子では量子ビットが量子効果を利用して異なる方法で動作する。大きなハードルはデコヒーレンス（量子情報の損失）であり、通常はそれを防ぐために極度の冷却が必要となる。このデバイスは室温で動作することでそれを回避し、比較的安価で実用的なものにしている。
さらに開発が進めば、この技術は安全な通信、高度なセンシング、高性能コンピューティング、人工知能を強化する可能性がある。研究チームは、その異常な量子特性のためにTMDC材料を選び、これらの材料を専門とするスタンフォードの研究者Fang Liu氏とTony Heinz氏と協力した。「すべてはこの材料と私たちのシリコンチップにかかっています」とPan氏は言う。「これらが一緒になって、光のねじれを効率的に閉じ込めて増強し、光子と電子の間の強力なスピン結合を生み出します。これにより、量子通信を可能にする量子状態が安定します。」
研究者たちはデバイスの改良を続けており、より良い性能を求めて追加のTMDC材料と組み合わせを模索している。また、これらのシステムが室温では現在不可能な新しい量子能力を引き出す可能性があるかどうかも調査している。長期的な目標は、そのようなデバイスをより大規模な量子ネットワークに統合することで、光源、変調器、検出器、相互接続の改善が必要となる。最終的には、量子コンポーネントを日常の電子機器に小型化できることを期待している。「それができれば、いつか携帯電話で量子コンピューティングができるかもしれません」とPan氏は微笑みながら言う。「でも、それは10年以上先の計画です。」だから息を止めて待つ必要はないが、もっとクールな電話の計画を始めてもいいかもしれない。