NTTなど、ラックサイズ光量子コンピュータ実現のための基幹技術を開発

NTT、東京大学、理化学研究所(理研)、科学技術振興機構の4者は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)」を開発することに成功したと発表した。

同成果は、NTT先端集積デバイス研究所の柏崎貴大氏、同井上飛鳥氏、NTT先端集積デバイス研究所・NTTイノベイティブフォトニックネットワークセンタの梅木毅伺特別研究員、東京大学大学院工学系研究科の山嶋大地氏、同高梨直人氏、古澤明教授、理研の研究者らの共同研究チームによるもの。詳細は、応用物理学を扱う学術誌「Applied Physics Letters」に掲載された。

量子コンピュータの本命とされる“汎用的な”量子コンピュータの実現には、まだ超えるべきさまざまな課題が残されており、世界中で研究開発が進められている。その最大の課題は、誤り訂正可能な汎用量子コンピュータの実現に必要とされる100万程度の量子ビット数の実現であり、それが実現可能な候補技術の1つとして、「時間領域多重化技術」と「測定誘起型量子操作」というアプローチを用いる光量子コンピュータが近年、注目を集めている。

時間領域多重技術による大規模量子もつれ生成 (出所:共同プレスリリースPDF)

この光を用いる方式は既存の光通信技術とも親和性が高く、飛行する光量子ビットの伝搬媒質に通信波長帯の低損失な光ファイバを用いることができれば、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自在にかつ安定的に生成することができるようになるという。

具体的には、4つのスクィーズド光源、2つの長さの異なる光ファイバ(光学遅延線)、そして5つのビームスプリッタという構成だけで、汎用量子計算に必要とされる、2次元クラスター状態の大規模な生成が可能であり、ラックサイズの現実的な装置規模で汎用量子計算を実現することができるという。

大規模な光量子もつれ状態を生成するための基本構成。4つの量子光源、2種類の長さの異なる光学遅延線(光ファイバ)、5つのビームスプリッタで原理上どんな規模の計算でも可能となる (出所:共同プレスリリースPDF)

また、光の高い周波数を活かした高速計算が可能であることから、高速な量子アルゴリズムの実装に加え、そのクロック周波数も高めることが可能であることを意味するとしている。

研究チームはこれまで、光量子コンピュータの実現に向けた各種検証実験として、高精度に配置したミラー群からなる空間光学系を用いて実施してきた。光の損失を極力小さくし、また光同士の干渉を極力高めることを目指したものだが、ミラーなどの配置がわずかでもずれてしまうと所望の特性が発揮されないため、実験のたびに光の経路を再調整する必要があったという。そのため、実用化にあたっては、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の光導波路に閉じた光学系での実現が求められていたとする。

しかし、光量子コンピュータにおいて、もっとも根幹となるスクィーズド光は生成が難しく、また光損失により容易に劣化してしまうという特徴があることから、これまで光通信波長帯で動作し、なおかつ光ファイバが結合した状態で、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(2次元クラスター状態)の生成に必要となる、65％を超える量子ノイズ圧搾率を持つスクィーズド光源は実現されていなかったという。

こうした背景のもと、研究チームは今回、低損失な光ファイバ接続型量子光源モジュール(光パラメトリック増幅モジュール)を新たに開発。モジュールの心臓部となる「周期分極反転ニオブ酸リチウム導波路」の作製手法が一新され、低損失化が達成されたほか、これまでNTTが培ってきた光通信デバイス実装技術が用いられ、低損失な光ファイバ接続型のモジュールとして組み上げたという。

今回開発されたファイバ接続型の非線形光学デバイス (出所:共同プレスリリースPDF)

その結果、開発されたモジュールと光通信用ファイバ部品を組み合わせた光ファイバ系において、6THz以上の帯域にわたって75％以上に量子ノイズが圧搾されたスクィーズド光の測定に成功したとする。

量子ノイズ圧搾度の測定結果 (出所:共同プレスリリースPDF)

これは光ファイバに閉じた系であっても、光量子コンピューティングに最低限必要とされる量子状態の生成および測定がなされたことを示すものであり、今回開発された光ファイバ結合型量子光源により、安定的かつメンテナンスフリーな現実的な装置規模での光量子コンピュータの実現可能性を示すものとなるという。

また今回の実験では、1つ目のモジュールでスクィーズド光を生成し、2つ目のモジュールで光量子情報を古典的な光の情報に変換する新しい手法が用いられたが、この測定手法は、従来のバランス型ホモダイン検波技術と異なり、量子信号を光のまま古典的な光の信号に増幅変換することができるため、高速な測定が可能であるとともに、将来の全光型量子コンピュータにも適応可能な技術だとしている。

なお、研究チームは今後、検証中である種々の光量子操作と組み合わせ、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を進めていくとしているほか、量子光源の改良により量子ノイズ圧縮率を高め、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ていくとしている。