日本理化學研究所（RIKEN）量子電腦研究中心的特別研究員阪口淳史、團隊負責人古澤明（東京大學研究生院工學系研究科教授）等人組成的國際聯合研究團隊，首次實施了對光電場的非線性測量，這相當於在使用光在量子電腦中實施通用的量子計算的非線性計算。阪口研究員表示：「透過利用光證明非線性，爲通用的量子電腦鋪平了道路。此外，該系統還可以直接用於糾錯」。此外，古澤團隊負責人表示：「我們計劃在今年内製作出光量子電腦的實體機」。該研究成果已刊登在《Nature Communications》上。
圖1 所提出的非線性測量設置圖（供圖：理化學研究所）
紅色是燈火信號路徑，黑色是電訊號路徑。整個黃色區域用作非線性測量。光學延遲路徑是根據非線性計算的延遲來延遲燈火信號的裝置，計算越慢則距離越長，這就會導致退相干（量子態的資訊丟失）如光有效能損失或相波動等。
在衆多候選量子電腦中，光量子電腦具有能夠在室溫下運行、高速化，及與光通訊高度相容等優點。然而，由於量子操控透過連續測量量子糾纏態下的光來進行，因此只能進行光電場的加減運算和常數倍操作。爲了進行任意計算，需要進行光電場之間的乘法運算，爲此，非線性測量必不可少。
2001年提出了實施非線性測量的理論建議，但使用的是假說粒子。而研究團隊於2016年提出了具體的設置方案。將待測光與輔助量子光進行干擾，測量兩個結果中的一方，對另一根據非線性計算值對測量結果進行動態相旋轉後再進行測量，從而實施非線性測量。
然而，非線性計算和光電路之間的起伏同步是一大課題。例如，光在1000奈秒内傳播約300米，如果用光纖電纜延遲300米會增加誤差並使起伏同步變得困難。本次研究團隊透過在可程式設計數位電路内的存儲塊中加入一個尋找表（計算表），用於非線性計算，使其在2.67奈秒内讀出計算結果。透過改變寫入尋找表中的計算表，可以在保持計算時間的同時改變計算類型。
圖2 用於非線性計算的專用板（供圖：理化學研究所）
爲了抑制除了必要的電氣元件以外的延遲，元件的佈局也經過精心設計。
測量系統和控制系統的輸入/輸出信號均爲類比信號，需要經過轉換才能輸入/輸出到數位電路，因此製作了專用板，將包括這些訊號在内的合計延遲減量到26.8奈秒。
爲了評估所構建的實驗系統，研究人員透過輸入27種不同強度和隨機相的216萬種弱雷射作爲測量物件來驗證輸入光與測量結果之間的關係。結果表明，輸入光的同相分量相對於測量儀器的基準相與測量值的平方成正比，正交相分量與測量值成正比。量子態變化的維格納函數的理論預測保真度高於0.99，並且透過利用非線性壓縮光作爲輔助光量子，降低了測量中的噪音，還證實了其降低量與理論值一致。以上結果驗證了所構建的實驗系統爲目標的非線性測量。
本次非線性測量的成功將使之前光測量量子電腦無法實施的包括乘法在内的通用的計算成爲可能。此外，輔助量子光和非線性前饋的結合可以直接應用於故障容許度計算。
古澤團隊負責人表示：「電腦科學只有在擁有電腦實體機的情況下才能成立。爲此，我們將製造光量子電腦的實體機，讓更多的研究者和學生在雲上使用，以促進量子電腦科學。量子電腦只能快速解決數量有限的問題，但無論什麼樣的計算，只要增加時脈數，就能提升計算速度。未來，我們的目標是利用光量子電腦的特性，實施100GHz、100核的超級量子電腦。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Nature Communications
論文：Nonlinear feedforward enabling quantum computation
DOI：10.1038/s41467-023-39195-w
