近日發佈的一項研究成果邁出了實施通用的型光量子電腦的重要一步。東京大學研究生院工學系研究科的紺野峻矢研究生（研究當時）、阿薩巴南特·瓦利特助教（Warit Asavanant）、古澤明教授的研究團隊與資訊通訊研究機構（NICT）、理化學研究所、捷克·帕拉茨基大學的佩特爾·馬雷克（Petr Marek）副教授、拉迪姆·菲利普（Radim Filip）教授、德國美因茨大學的彼得·範·魯克（Peter van Loock）教授聯合發表研究成果稱，全球首次生成了光邏輯量子位元（Gottesman-Kitaev-Preskill量子位元、簡稱GKP量子位元）。古澤教授表示：「透過與迄今爲止實施的大規模數子乘法運算等相結合，大規模故障容許度性光量子電腦的實施將指日可待。計劃在9月成立初創企業OptQC，推進社會應用」。相關成果已刊登在《Science》上。
圖1 古澤明教授（右）和阿薩巴南特·瓦利特助教在新聞發佈會上（供圖：科學新聞）
圖2：東京大學和NICT聯合開發的超導光量子測量器（供圖：東京大學、NICT（資訊通訊研究機構））
目前的電腦爲了防止由於某種終極因數出現的錯誤，都配備由故障容許度功能。例如，同時進行多個相同處理，相同答案次數最多的即定爲正確輸出。由於超導等量子電腦也可以採用類似的方法，因此糾錯必須使用大量物理量子位元來建立邏輯量子位元。這爲實施糾錯帶來了很大障礙。
另一方面，在光量子電腦中，可以用1個物理量子位元（光脈衝）實施1個邏輯量子位元的GKP量子位元被認爲具有很大前景，但實施GKP量子位元的結構需要使用強非線性。與超導和離子阱等靜態系統不同，光的傳播波的非線性很難等比增大，這成爲實施光量子電腦邏輯量子位元的主要課題之一。
本次研究中，研究人員使用與NICT合作開發的光量子測量器（量子效率約爲75%，定時抖動爲70ps），利用光生成了GKP狀態。
在實驗中，爲生成GKP狀態，研究人員首先生成了薛定諤貓態（相反轉的經典雷射束疊加的狀態）。雖然薛定諤貓態是一種量子性很高的狀態，但與GKP狀態具有不同結構，爲了塑造其結構，使用了光學系中易於實施的線性光學元件。結果，成功地形成了具有特定峰值數量和銳度的GKP狀態。
儘管本次的GKP狀態是一步生成的，但可以透過重複相同的方法來增加峰值數量。由於光的GKP量子位元中原本就包含大量光量子，且這些光量子處於量子糾纏態，因此發生錯誤的機率本身就極小。而進一步生成更多脈衝（GKP量子位元）是實施故障容許度光量子電腦的重要一步。
截止目前，在光量子電腦方面，研究團隊除了已成功驗證可大規模實施任何量子操作的量子計算平台，還透過結合半導體電路實施了量子態下的乘法運算。隨着本次GKP量子位元的生成，實施故障容許度光量子電腦的部件已準備齊全。
古澤教授等計劃於今年9月設立OptQC公司，由高瀨寬助教出任CEO（執行長），阿薩巴南特·瓦利特助教出任CTO（首席技術官）。新公司首先將使用大規模光量子網路的神經網路來構建AI基礎設施。高瀨助教表示：「首先，我們將透過發掘對AI的需求並將其商業化」。阿薩巴南特·瓦利特助教表示：「大規模神經網路是實施大規模光量子電腦的一個步驟」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Science
論文：Logical states for fault-tolerant quantum computation with propagating light
DOI：10.1126/science.adk7560
