光量子状態の高速生成 ～光通信技術による光量子コンピュータの加速～

発表のポイント

非古典性の高い光量子状態の生成は確率的であり、この生成レートは論理量子ビットの生成も含め、光量子コンピュータの現実的な計算速度を制限する。
今回の成果では、光通信技術の増幅器・測定器の技術を用いて、従来の量子光源・測定器による速度の制限を打破し、光量子状態の生成レートを1000倍程度向上させた。
今回の研究では光子検出器の性能が生成レートを制限していたが、この制約を解決できれば、本研究からさらに1000倍の生成レートの実現が見込まれる。これにより準決定論的な状態生成が可能になり、超高速光量子コンピュータの実現が期待される。

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、マサチューセッツ大学のラジュヴィーネハラ助教授、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(エヌアイシーティー)）、国立研究開発法人理化学研究所は、シュレディンガーの猫状態（注1）と呼ばれる強い量子性（非古典性）を有する光量子状態の生成レートを、従来手法より1000倍程度高速化することに成功しました。
　誤り耐性型光量子コンピュータを実現するためには、誤りを検知し訂正するための論理量子ビット（注2）が必要不可欠です。直近では、光パルスを用いた論理量子ビット生成の実証実験に成功し（関連情報1参照）、誤り耐性型光量子コンピュータの実現への道筋が示されました。しかしながら、実証実験レベルから実用レベルへ移行するためには、その論理量子ビットの生成確率を上げる必要があります。例えば、現在広く用いられている古典コンピュータのクロックレートはギガヘルツ（GHz、1秒に10億回）の水準に達する一方で、高い非古典性を有する光量子状態の生成手法は基本的に確率的であり、その生成レートはキロヘルツ（kHz、1秒に1000回）程度に留まっていました（図1A）。
　本研究は従来の状態生成・測定のための量子光源・ホモダイン測定器（HD）（注3）の代わりに、NTTが主体となり開発した光パラメトリック増幅器（OPA）（注4）及び東京大学とNICTが共同開発した超伝導光子検出器（図2）を用いることで、光源及び測定の周波数帯域（注5）を大幅に向上させました。これによりシュレディンガーの猫状態をメガヘルツ（MHz、1秒に100万回）の生成レートで実現しました（図1B）。この方法をさらに発展させればギガヘルツの生成レートの実現も見込まれ、実用レベルの生成レートを有した論理量子ビット生成の実現が期待されます。