光量子計算プラットフォームに世界で初めて量子性の強い光パルスを導入 ～スパコンを超える光量子コンピュータへ突破口～

発表のポイント：

世界で初めて量子性の強い光パルスに対してさまざまな演算を何ステップでも実行できる汎用型光量子計算プラットフォームを実現。
従来は扱えなかった量子性の強い光パルスの利用により現代のコンピュータを超える計算の高速化への道が拓かれ、さらに独自方式の光回路により今後のスケールアップにも期待できる。
このプラットフォームを利用すれば最適化や機械学習などのアプリケーションの探索が大きく進展すると共に、将来的にスパコンを超える誤り耐性型万能量子コンピュータへつながる。

概要
　国立大学法人東京大学大学院工学系研究科の武田俊太郎准教授および吉田昂永大学院生（当時）らの研究チーム、日本電信電話株式会社（以下、NTT）、国立研究開発法人情報通信研究機構（以下、NICT）は、量子性の強い光パルスで計算できる世界初の汎用型（注1）光量子計算プラットフォームを実現しました。
　近年、光の連続量（注2）方式での汎用的な計算を目指した光量子計算プラットフォームが目覚ましく進展し、量子コンピュータの有望な方式として期待されています。しかし、これまで実現されたプラットフォームは全て、行える演算の種類が「線形演算（注3）」のみに限定された不完全なものであり、この演算だけでは現代のコンピュータより高速に計算できないことが知られていました。今回、本研究グループは、「非線形演算（注3）」も可能にする量子性の強い光パルス（注4）を光量子計算プラットフォームに導入することに世界で初めて成功しました。このプラットフォームをテストベッド（試験用環境）として利用すれば、従来はできなかった非線形演算の実装や、量子誤り訂正処理の評価、さらには最適化や機械学習などの量子アプリケーションの探索が大きく進展します。また、今回のプラットフォームで採用している光回路構成は拡張性に優れた独自方式であり、今後これを多数の光パルスを用いた計算ができるシステムへとスケールアップしていくことで、将来的にはスパコンを超える誤り耐性型万能量子コンピュータ実現へつながるものと期待されます。

発表内容
〈研究の背景〉
　量子コンピュータは、量子力学に基づく新しい計算原理を用いた次世代のコンピュータです。現在、超伝導、中性原子、イオン、シリコン、光などさまざまなアプローチで量子コンピュータの開発競争が繰り広げられています。その中でも、光を用いた量子コンピュータは有力候補の1つです。光量子コンピュータは、他方式とは違ってほぼ常温常圧で動作し、高クロック周波数（演算処理1つ1つが高速）で計算できる上、光通信と容易に接続でき光量子コンピュータネットワークの構築につながるといった利点をもちます。特に近年、光の波に連続的な情報をもたせて計算を行う連続量の手法が目覚ましく進展し、連続量での汎用的な計算を目指した光量子計算プラットフォームが世界でいくつか実現されています。東京大学の武田准教授らの研究チームも、連続量の手法に基づく独自の光量子コンピュータ方式を2017年に提案し（図1）、2023年には3個の光パルスで計算ができるプラットフォームを実現するなど、世界をリードする研究成果を挙げてきました（関連情報(1)～(4)参照）。
　しかし、これまで世界で実現されている連続量の汎用型光量子計算プラットフォームは全て、行える演算の種類が「線形演算」のみに限定された不完全なものでした。「線形演算」だけのプラットフォームは、どれほど大規模化したとしても現代のコンピュータより高速に計算することはできません。現代のコンピュータの性能を超えるには、そのプラットフォームにさらに「非線形演算」を可能にする量子性の強い光パルスを導入することが不可欠です。しかし、そのような量子性の強い光パルスは一般にランダムなタイミングでしか発生させることができません。その発生タイミングと演算処理のタイミングを合わせる技術的な難しさが障壁となり、これまで量子性の強い光パルスを扱える光量子計算プラットフォームは実現されていませんでした。