東京大學研究生院工學系研究科川崎彬鬥博士生、Asavanant Warit助教、古澤明教授等人的研究團隊和美國馬薩諸塞大學的Rajveer Nehra副教授、日本電信電話術公司（NTT）、日本資訊通訊研究機構（NICT）、日本理化學研究所於11月1日發表研究成果稱，成功地將具有「薛定諤貓態」強量子性（非經典性）的光量子態的生成速率加速到了比既往方法快1000倍左右的水平。
圖1 既往的量子態生成（A）與本次研究的量子態生成（B）（供圖：東京大學）
量子電腦的實際應用面臨着各種丞待克服的挑戰。對於任何物理系統來說都是重大挑戰的是，計算規模的擴大化（延伸性）和故障容許度性。實施規模擴大化的難點在於能否從研發階段的數百量子位元左右的小規模系統擴展到實用應用所需的數百萬量子位元的大規模系統。
尤其是量子系統因其對外界干擾的敏感性和複雜性，使得小規模系統擴展到大規模系統的方法尚不明確，一直是許多物理系統中實施實用型量子電腦的瓶頸。對此，東京大學古澤研究室的研究團隊於2019年打造出具備延伸性的光量子計算平台，較其他物理系統具有優勢。
另一方面，在實施故障容許度性方面，現實系統中不可避免會存在噪音和錯誤，因此需要一種即使在有可能發生錯誤的環境下也會正確執行量子資訊處理的機制。其中一種方法是實施可以檢測並糾正錯誤、同時對量子資訊進行編碼（轉換）的「邏輯量子位元」。該研究團隊曾於2024年宣佈全球首次成功生成了被稱爲GKP （Gottesman-Kitaev-Preskill）量子位元的最強邏輯量子位元。
然而，生成這種GKP量子位元的方法需要使用多種被稱爲「薛定諤貓態」的強非經典性的量子態。因此，將該方法應用於既往的光學系時，「薛定諤貓態」的生成速率僅止於kHz規模，導致用於生成GKP量子位元的貓態速率進一步降低，從而侷限了量子計算的速度。
這種生成速率侷限了量子計算速度，如果不解決這一問題，基於GKP量子位元的故障容許度型光量子電腦的實際應用將十分困難。
這種生成速率的侷限源於兩個終極因數：一個是控制作爲量子光源（壓縮光）的量子波動的光源頻率頻帶；二是量子測量的侷限。
壓縮光的頻帶不僅會決定生成速率，還會決定已生成量子態的光束形狀。爲了正確觀測被該光束定義的量子態，需要能夠觀測比該光束更寬頻率頻帶的零差偵檢器。
作爲既往量子光學實驗中各種要素的典船線座標，壓縮光源頻帶的最高被侷限在MHz規模，而零差偵檢器的頻帶則因需確保較高量子效率一直以來被侷限在100MHz左右。
本次研究中，研究團隊透過將NTT主導開發的光學參量放大器（OPA）用作壓縮光源，並採用東京大學與NICT合作開發的超導光量子偵檢器，大幅提高了光源和測量的頻率頻帶。結果表明，團隊成功地將既往數MHz的壓縮光源頻帶提升至6THz（太赫茲，約100萬倍），將測量系統從100MHz加速至70GHz（700倍），從而實施了高速生成的光量子態。
生成速率達到約1MHz，較既往的「薛定諤貓態」生成速率提高了3個數規模（1000倍）左右。在光束形狀方面，研究團隊也成功測量了亞奈秒尺度的光束（既往爲數十至數百奈秒左右），證明了本次研究實施的高速測量的有效性。
儘管本次研究中光量子偵檢器的性能扔對生成速率有侷限，但研究團隊預期，若能解除這種侷限，生成速率將實施比當前提高1000倍，從而推動超高速光量子電腦的實施。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Broadband generation and tomography of non-Gaussian states for ultra-fast optical quantum processors
DOI：10.1038/s41467-024-53408-w
