NTT：實現面向容錯大型通用光量子電腦的模組化量子光源

東京--(BUSINESS WIRE)--(美國商業資訊)-- (美國商業資訊)--NTT集團（簡稱NTT，總裁兼執行長：澤田純，東京千代田區）(TOKYO:9432)與東京大學（校長：藤井輝夫，東京文京區）以及RIKEN（總裁：Hiroshi Matsumoto，埼玉和光市）合作開發了一種光纖耦合量子光源（壓縮光源）(*1)，這種光源是實現容錯大型通用光量子電腦的關鍵技術。

量子電腦能夠利用量子疊加態和量子糾纏態等量子力學的獨特現象進行平行計算處理，因此世界各地都在對其進行研究和開發。在多種不同的方法中，使用光子的光量子電腦具有眾多優勢。例如，它不需要其他方法所需的低溫和真空設備，因此具有小巧的結構。此外，透過建立時域多工量子糾纏態，無需微積體電路或設備並行化即可輕鬆增加量子位元的數量。由於光的寬頻特性，高速計算處理也成為可能。此外，量子誤差校正在理論上已被證明可以透過使用利用光子奇偶性的光連續變數來實現，而非使用光子存在或不存在的離散變數。這種方法與低損耗光纖、高功能光元件等光通訊技術具有很高的相容性，在建構通用大型容錯光量子電腦方面取得了重大進展。

要實現光量子電腦，最重要的元件之一是產生壓縮光的量子光源，它是光量子電腦中量子性質的源頭。特別是非常需要光纖耦合量子光源。壓縮光被用於產生量子糾纏，是一種具有偶數光子和壓縮量子雜訊的非經典光。此外，量子錯誤校正透過利用光子數量的奇偶性得以實現，因此，壓縮光在量子錯誤校正中發揮極其重要的作用。為了實現大型通用容錯光量子電腦，我們需要一種具有高度壓縮量子雜訊和光子數奇偶性的光纖耦合壓縮光源，即使在高光子數的元件中也能保持這種奇偶性。例如，要產生可用於大型量子計算的時域多重量子糾纏（二維簇態）(*2)，需要超過65%的擠壓水準。然而，由於難以產生高品質的壓縮光，這種裝置從未被開發出來。

在這項研究中，我們開發了一種新的光纖耦合量子光源，可在光通訊波長下使用。透過將其與光纖元件相結合，我們甚至首次在光纖封閉系統中成功地產生了連續波壓縮光，其壓縮量子雜訊超過75%，邊帶頻率超過6 THz。這意味著光量子電腦中的關鍵設備已經以相容光纖的形式實現，同時保持了光的寬頻特性。這將使我們能夠在一個使用光纖和光通訊設備的穩定和免維護的系統中開發出光量子電腦。這將極大地推動機架式大型光量子電腦的發展。

這項研究成果將於2021年12月22日（美國時間）在美國科學期刊《應用物理學通訊》(Applied Physics Letters)上發表。該論文還被選為「編輯推薦」論文。這項研究的一部分得到了日本科學技術振興機構(JST) Moonshot研究與發展計畫的支持。

[要點]

• 我們開發了一種光纖耦合的高性能壓縮光源模組，該模組將成為實現機架式光量子電腦的關鍵設備。
• 透過使用所開發的光纖耦合量子光源模組和光通訊元件，首次在光纖封閉系統中成功產生連續波壓縮光，其量子雜訊在6 THz以上寬頻寬上的抑制率超過75%。
• 這一成果使我們有可能在一個免維護的穩定光學系統中利用光學通訊設備開發出現實規模的光量子電腦，並將極大地推動容錯大型通用光量子電腦的發展。

[背景]
全世界正在積極推動實現通用量子電腦的研究和開發。最近，已有關於使用超導電路進行約100個物理量子位元的量子計算的報導。然而，要實現容錯通用量子電腦，大約需要一百萬個物理量子位元。因此，增加量子位元的數量已經成為量子計算的一項主要挑戰。為了透過超導電路或俘獲離子實現一百萬個量子位元，已經採取了透過整合其元件和並行化設備來增加量子位元數量的方法。另一方面，光量子電腦有望能夠進行顛覆性的大型通用量子計算，它使用了時域多工技術(*3)和測量誘導式量子操縱(*4)，這與傳統方法截然不同。在時域多工技術中，我們將連續飛行的光分成時段，並將資訊置於分離的光脈衝上。透過這種方法，我們可以在不增加設備尺寸的情況下輕鬆增加時間軸上的量子位元數量（圖1）。此外，理論上已經證明，透過利用光子數量的奇偶性和光的連續變數可以實現量子錯誤校正。透過使用低損耗光纖作為飛行光量子位元的傳播媒體，並結合光通訊設備，將能夠自由穩定地產生大規模量子糾纏態。具體來說，只需四個壓縮光源、兩條不同長度的光纖（光學延遲線）和五個分束器（圖2），就可以產生通用量子計算所必需的大規模二維簇態。這種方法不一定需要整合或大型設備，並且可以在機架式現實設備上實現通用量子計算，而使用超導電路或俘獲離子的方法則需要元件整合或設備並行化。此外，這種方法可以透過利用光的高頻率進行高速計算。這意味著不僅可以實現高速量子演算法，而且其時鐘頻率也可以很高，使光量子電腦成為最終的高速資訊處理技術。

到目前為止，我們已經展示了各種光量子操作，透過使用由許多高精度排列的反射鏡組成的空間光學系統來實現這種光量子電腦。這是為了儘量減少光的光學損耗，並增強光之間的干涉。然而，如果反射鏡稍有錯位，就無法獲得所需的特性，並且每次實驗都必須重新調整光路。基於以上原因，要實現能實際使用的光量子電腦，必須使用接近光波導的光學系統，例如光積體電路或光纖，該系統具有良好的運作穩定性和免維護性。光量子電腦中的壓縮光，作為一項基本元素尤為關鍵。這種非經典光具有波的振幅或相位的壓縮量子雜訊（一對非交換性物理量）。由於這種光很難產生，而且很容易因光學損失而退化，因此來自光纖耦合壓縮光源的光往往品質不佳。特別是65%以上的壓縮光，作為產生時域多工的大規模量子糾纏態（二維簇態）的必要條件，在光纖封閉配置下尚未實現。

[技術進步]
我們開發了一種低損耗光纖耦合量子光源模組（光參數放大模組）（圖3）。我們透過更新週期性反轉鈮酸鋰(periodically poled lithium niobate, PPLN)波導的製造方法實現了低損耗，該波導是模組的主要組成部分。該模組利用NTT開發的光通訊設備組裝技術組裝成為低損耗光纖耦合模組。在連接光纖元件的同時，我們成功地測量了壓縮光，其中量子雜訊壓縮率超過75%，頻寬超過6 THz（圖4）。這意味著光量子計算所需的量子態甚至可以在光纖的全封閉系統中產生和測量。因此，開發出的光纖耦合量子光源使得實現實用水準的穩定、免維護的光量子電腦成為可能，這將極大地推動未來的發展。

在該實驗中，我們使用了一種新方法，用第一個模組產生壓縮光，用第二個模組將光量子資訊轉換為經典光資訊。作為光源開發的光參數放大器被用於相反的方向，以實現保持光子數量奇偶性的光放大。這種測量方法不同於傳統的平衡零差檢測技術，它可以將量子訊號放大並轉換為經典光訊號，而無需將其轉變為電子。因此，它能夠實現極其快速的測量。這項技術在未來可用於實現全光量子電腦，並將極大地促進實現兆赫時鐘頻率運作、速度極快的全光量子電腦。

[未來的工作]
首先，我們將結合我們迄今為止開發的各種光量子運算，開發一種由光纖元件組成的光量子電腦。此外，我們將提高量子光源的量子雜訊壓縮能力，以實現容錯大型通用光量子電腦。

[對本研究的支持]
這項研究得到了日本科學技術振興機構(JST) Moonshot研發計畫——Moonshot Goal 6：「到2050年實現經濟、工業和安全革命的容錯通用量子電腦」（計畫總監：大阪大學工程科學研究生院教授Katsuhiro Kitagawa）的支持。研發專案「開發大型容錯通用光量子電腦」（專案經理：東京大學工程研究生院教授Akira Furusawa）。

[專案經理評價]
目前，大眾認為積體電路對於實現大型量子電腦至關重要。然而，此次成功卻表明積體電路並不是必要元件，而且我們可以透過使用所開發的模組和光纖元件來實現大型光量子電腦。大型量子電腦的實現因為這項成果而成為現實，可以說，一項顛覆性的技術從此誕生了。

[術語]
*1 壓縮光源
在非交換性物理量對的量子波動（量子雜訊）之一受壓縮狀態下產生光的裝置。這種光源透過有效誘導非線性光學現象的媒體得以實現。

*2 二維(2D)簇態
可以實現任何量子計算模式的大規模量子糾纏態。2019年，東京大學的Akira Furusawa教授及其同事實現了一個擁有超過一萬個光量子的二維光學簇態。[參考文獻1]

*3 用於產生量子糾纏的時域多工技術
一種產生成量子糾纏的方法：透過對連續量子光源發出的光進行時間分離，並利用光學延遲干涉儀對分離的量子波包（脈衝）進行干擾，從有限數量的量子光源產生大規模糾纏態。

*4 根據測量的量子計算
一種可進行通用量子計算的方法，計算能力相當於已經在全球展開研究的以閘為基礎的量子電腦。這種方法與傳統以閘為基礎的量子計算不同，在傳統的量子計算中，單一量子位元被閘操作糾纏，而這種方法則涉及提前準備大規模量子糾纏。我們可以透過觀察某些量子位元來操縱剩餘的量子位元。

[參考文獻1]
W. Asavanant, et al., "Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state,"（時域多工二維簇態的產生）Science 366, 373 (2019)。

[出版資訊]
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"（低損耗准單模PPLN波導的製作及其在模組化寬頻高階擠壓器中的應用）
Applied Physics Letters
DOI: 10.1063/5.0063118

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