NTTなど、導波路型光デバイスによる最高品質のスクイーズド光生成に成功

NTT、東京大学(東大)、理化学研究所(理研)、OptQCの4者は3月5日、高信頼性かつ実用的な光量子コンピュータの実現に不可欠となる「スクイーズド光」について、導波路型光デバイスによって世界最高レベルの品質で生成することに成功したことを発表した。

光量子コンピュータの実機・構成図および今回の発表の概要(出所:NTT)

同発表に際して行われた記者説明会では、東大大学院工学研究科教授で、理研量子コンピュータ研究センター副センター長、およびOptQC 共同創業者・取締役を務める古澤明氏、NTT先端集積デバイス研究所の柏崎貴大准特別研究員らが登壇し、今回の成果に関する説明を行った。

会見に登壇した東大大学院の古澤明教授

省エネ大規模演算が期待される光量子コンピュータ

“量子コンピュータ”は、量子力学の減少を利用した並列計算を行うことで、スーパーコンピュータ(スパコン)でも長い時間を要する莫大な演算を高速で処理する次世代計算機として、期待が高まっている。現在世界各国でその研究が活発化しており、日本国内でもさまざまな研究機関や企業などが開発に力を入れている。中でも理化学研究所では、量子コンピュータ研究センターを設置してさまざまな研究者が参画しており、超伝導/光・原子・電子/半導体/理論というさまざまな量子コンピュータの実現に向け、日夜研究が続けられている。

今回の発表で焦点が当てられたのは、光量子コンピュータだ。古澤教授が先頭に立ち研究開発を進める連続量光量子コンピュータは、他の方式の量子コンピュータに比べ、配線を増やさず装置規模を大きくせずに大規模な計算に対応できる点や、比較的低消費電力かつ長時間の安定動作が見込まれる点などの強みを持つとされる。さらに、光通信技術との親和性の高さから、高速光通信技術を活用した高速量子計算にも期待がかかっており、将来のIOWN技術発展と共に今後も進化し続ける量子コンピュータとして捉えられるとする。

性能を左右する「スクイーズド光」とは？

そうした連続量光量子コンピュータにおいて、最も重要な部品のひとつとされるのが、量子性の源を生成する役割を担う「スクイーズド光源」だという。NTTの柏崎氏によると、スクイーズド光とは、光電磁場の正弦(sin)成分と余弦(cos)成分のうち一方の量子ノイズが圧縮された光を指し、連続量光量子技術において最重要のリソース状態とのこと。そして、この圧縮度(スクイージングレベル)が高いほど量子計算における誤差が縮小されるといい、また広帯域であるほど計算の高速化が可能になるとともに、量子ビットを増加させ大規模演算の実現に寄与するとした。

スクイーズド光の概要(出所:NTT)

なお、スクイーズド光において重要となるスクイージングレベルは、光の損失や位相誤差によって劣化してしまい、量子性の劣化に直結するとのこと。そのため光量子コンピュータの性能向上に向けては、受光までを含めたシステム全体での低損失化および位相誤差低減が求められている。これまでNTTと東大は共同で、周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)からなる導波路型の光パラメトリック増幅器を用いた、従来の共振型に比べて広帯域なスクイーズド光の生成に関する実験を行ってきた。両者の研究ではこれまでにも成果が重ねられ、2024年には理研にて新方式の光量子コンピュータの稼働に至っていた。

しかしながら、より精度の高い計算や量子性の高い計算(量子アルゴリズム)の実行、あるいは「GKP量子ビット」と呼ばれる符号化状態を用いた正確性の高い“誤り耐性型量子コンピュータ”の実現に向けては、さらなるスクイージングレベルの向上が求められていた。そこで今回の研究では、主に位相誤差の低減に焦点を当てた新規位相同期手法の導入によって、高次の符号化技術との組み合わせで誤り訂正率が現実的な値にまで下げられるレベルである10dBまで、スクイージングレベルを向上させることを目指したとする。

光源分岐のタイミング前倒しで量子光のロスを低減

従来手法でスクイーズド光を測定する際には、スクイーズド光のもととなる励起光と、測定のものさしとなる基準光をPPLNに入射し、量子光の抽出と位相同期信号の取得が行われていた。高いレベルのスクイーズド光を測定するためには、基準光との位相誤差を厳密に制御する必要があるが、従来手法では同時に生成された基準光と励起光の一部を分岐させて位相同期信号として抽出していたため、位相同期の精度を高めるため分岐比を大きくすると、スクイーズド光の損失も併せて増大し劣化してしまうという課題を抱えていた。

そこで今回の新手法では、PPLNに入射する前の古典光の段階で分岐させることで、PPLNから出射される量子光のロスをなくしたとのこと。また同時に位相同期信号も大きくなり、スクイージングレベルの向上が実現されたとする。

従来手法と新手法の位相同期プロセスの比較(出所:NTT)

そして研究チームはこれらの技術を用いて、PPLN導波路からのスクイーズド光評価を実施。その結果、測定系の損失が12％から8％に、位相誤差が14mradから9mradに低減され、光通信波長帯において10.1±0.2dBという世界最高レベルでの量子ノイズ圧縮が観測された。NTTはこの結果について、広帯域のスクイーズド光が生成可能な導波路型光デバイスにおいて、古典的な光の持つ量子ノイズを90％以上圧縮した初めての成果であり、光量子コンピュータの性能を向上させる重要な成果だとした。

スクイージングレベルの測定結果(出所:NTT)

今後数年で省エネデータセンター実現を目指す

柏崎氏は今回の発表について、「狭帯域の共振器を用いたデバイスではさらに上のスクイージングレベルに到達しているものの、量子コンピュータの高速化に寄与する帯域とは言えない。一方で今回我々が発表した光導波路デバイスは、広帯域におけるスクイージングレベルの向上を実現しており、他グループの研究を大きく引き離す結果が得られた」とコメントした。

会見に登壇したNTT先端集積デバイス研究所の柏崎貴大氏

また古澤教授は、社会実装にまた一歩近づいた光量子コンピュータのユースケースとして“データセンター”を強調。「スーパー省エネ」と表現する光量子コンピュータを活用し、「最初の目標はデータセンターを我々の量子コンピュータで埋め尽くすこと」と語ったうえで、IOWN構想を推進するNTTとも共同し、今後数年で“省エネデータセンター”の実現を目指すとしている。