高速でリアルタイムな光量子もつれ生成――従来の1000倍以上の高速量子相関が開拓する新時代――

発表のポイント

量子通信、量子計算などといった幅広い量子技術の応用において、量子もつれは最も根本的かつ必要不可欠なリソースであり、その生成速度が実用上の有用性を決める。
光パラメトリック増幅器とそれに適応した位相制御技術によって、従来の1000倍以上高速な量子もつれの生成に成功し、世界で初めてピコ秒（10-12秒）スケールのリアルタイムな量子もつれの生成・観測に成功した。
今回実現した技術によって、他の物理系や従来のコンピュータを凌駕（りょうが）する数十ギガヘルツ（GHz、1秒に10億回）クロックの量子システムが実現可能となり、超高速光量子技術の新時代が切り拓かれた。

1.概要
　国立大学法人東京大学大学院工学系研究科の川﨑彬斗大学院生及びアサバナントワリット助教、古澤明教授らの研究チームと日本電信電話株式会社（以下、NTT）は世界最速の光量子もつれ（注1）の生成・観測に成功しました。
　量子もつれとは、2つ以上の量子ビット間の特殊な相関を有する量子力学特有の現象です。この量子もつれは、量子計算、量子通信、誤り訂正など多岐にわたる量子技術の根源となるリソースとなっています。実用的な量子もつれの評価には、その純度に加えて量子もつれの生成速度（生成レートや帯域ともいう）が重要なパラメータとなります。従来の光量子もつれの生成速度はキロヘルツ（kHz、1秒に1000回）～メガヘルツ（MHz、1秒に100万回）オーダーであり、時間で換算すると数十マイクロ秒（10-6秒）から数十ナノ秒（10-9秒）オーダーでした。この生成速度は、実用上では量子コンピュータのクロック周波数（注2）を制限してしまうため、従来の生成速度では現状の古典コンピュータのクロック周波数であるGHzよりも遅い量子コンピュータしか実現できませんでした。
　今回の研究では、東京大学とNTTで共同開発した光パラメトリック増幅器（OPA）（図1）（注3）を用いて、60GHz（ピコ秒オーダー）という世界最高速度の光量子もつれの生成及びリアルタイムな測定を実現しました。リアルタイム測定（注4）は量子計算や量子通信などリアルタイムな情報処理を伴う量子技術には不可欠な測定であり、本研究では従来の1000倍以上も高速な光量子もつれ状態のリアルタイム量子測定を実現しました。この生成速度は、他の物理系を用いた量子システムや、従来の古典コンピュータをも凌駕するものとなっています。本研究によって、全ての量子技術の根源である量子もつれが、高速かつ量子情報処理に完全に応用可能な形式で利用可能となりました。本研究は、次世代の超高速光量子技術の基盤技術として、多岐にわたる応用が期待されます。