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ラックサイズで大規模光量子コンピュータを実現する基幹技術開発に成功 ~光ファイバ結合型量子光源を開発~

 日本電信電話株式会社(NTT),東京大学,国立研究開発法人理化学研究所,同 科学技術振興機構(JST)は2021年12月22日,ラックサイズの大規模光量子コンピュータ実現の基幹技術である光ファイバ結合型量子光源(スクィーズド光源)を開発したと共同発表した.本研究は,JSTのムーンショット型研究開発事業の助成を受けて実施され,成果は米国物理学協会発行 Applied Physics Letters誌に掲載された(注).

 近年,量子コンピュータの研究開発が盛んに行われており,超伝導回路を用いた100量子ビット程度の量子計算が報告されている.しかし,誤り訂正可能な汎用量子コンピュータの実現には100万程度の量子ビットが必要とされ,超伝導量子コンピュータでは冷凍・真空装置を含む装置の大型化が課題となる.一方,時間領域多重化技術を用いる方式の光量子コンピュータは室温で動作し,時間領域多重化により連続的に飛行する光を時間的に区切り,区切った光パルスに対して情報を載せるため,装置サイズを大きくすることなく時間軸上に量子ビットを増やすことができる.光量子ビットの伝搬媒質に通信波長帯の光ファイバを用いれば,光通信デバイスと組み合わせて大規模な量子もつれ状態を生成し,ラックサイズの装置規模で汎用量子計算を実現できると期待される.

 これまで光量子コンピュータの実験は,高精度に配置されたミラー群からなる空間光学系を用いて行っていた.しかし,光量子コンピュータの実機を実現するには,動作安定性に優れメンテナンスフリーな光集積回路や光ファイバなどに閉じた光学系での実現が必須である.特に光源となるスクィーズド光と呼ばれる特殊な量子状態の光(波の振幅・位相の量子ノイズのうち片方の成分が圧搾された状態の光)を,光通信波長帯でかつ光ファイバと結合した状態で実現することが切望されていた.

 研究チームは今回,光ファイバ接続型の量子光源モジュールを開発した.本モジュールは周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)の導波路(45mm長,光損失7%)を用いたスクィーズド光発生モジュールで,PPLNの非線形光学効果により,入射光をパラメトリック発振させて位相が揃った偶数個のスクィーズド光子を発生させる.開発モジュールと光ファイバ部品を組み合わせた光ファイバ系において6THz以上の帯域で,大規模量子計算を実行できる時間領域多重の量子もつれ生成に必要な65%を超える75%以上に量子ノイズが圧搾されたスクィーズド光が測定され,光量子コンピューティングに必要とされる量子状態の生成を確認した.本量子光源の開発は現実的な装置規模での光量子コンピュータ実現への前進となる.

 今後,光ファイバ部品で構成された光量子コンピュータの実機開発,量子光源の改良により量子ノイズ圧搾率を高め,誤り耐性型大規模汎用光量子コンピュータの実現を進める,としている.

(注)Takahiro Kashiwazaki, Taichi Yamashima, Naoto Takanashi, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, and   Akira Furusawa, "Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer", Applied Physics Letters, Vol. 119, p. 251104 (2021) DOI: 10.1063/5.0063118; Published Online: 22 December 2021