東京大学・NTT・NICT、非線形演算へ向け光量子計算プラットフォームに量子性の強い光パルスを導入

近年、光の連続量方式での汎用的な計算を目指した光量子計算プラットフォームが進展しており、量子コンピュータの有望な方式として期待されている。

光量子コンピュータは、他方式とは違ってほぼ常温常圧で動作し、高クロック周波数(演算処理1つ1つが高速)で計算できる上、光通信と容易に接続でき、光量子コンピュータネットワークの構築につながるといった利点がある。

一方、これまで実現されたプラットフォームは全て、行える演算の種類が「線形演算」のみに限定された不完全なものであり、この演算だけでは現代のコンピュータより高速に計算できないことが知られていた。

現代のコンピュータの性能を超えるには、そのプラットフォームにさらに「非線形演算」を可能にする量子性の強い光パルスを導入することが不可欠だ。

しかし、量子性の強い光パルスは一般にランダムなタイミングでしか発生させることができず、その発生タイミングと演算処理のタイミングを合わせる技術的な難しさが障壁となっていた。

こうした中、国立大学法人東京大学大学院工学系研究科の武田俊太郎准教授および吉田昂永大学院生(当時)らの研究チーム、日本電信電話株式会社(以下、NTT)、国立研究開発法人情報通信研究機構(以下、NICT)は、量子性の強い光パルスで計算できる汎用型光量子計算プラットフォームを実現した。

東京大学・NTT・NICTが光量子計算プラットフォームに量子性の強い光パルスを導入、非線形演算も可能に
今回開発された光量子計算プラットフォーム

この光量子計算プラットフォームには、量子性の強い光パルスをランダムなタイミングで発生させるシステムと、スクイーズド光パルスとプロセッサを用いて線形演算を実行できるシステムを組み合わせ、さらにそれらを時間的に同期させて制御するシステムを組み込んでいる。

東京大学・NTT・NICTが光量子計算プラットフォームに量子性の強い光パルスを導入、非線形演算も可能に
独自の光量子コンピュータ方式

これにより、「非線形演算」も可能にする量子性の強い光パルスを光量子計算プラットフォームに導入することに成功した。

このプラットフォームは、量子性の強い光パルス1個を発生させ、それに対してさまざまな線形演算を繰り返し何ステップでも実行できる機能を備えている。

東京大学・NTT・NICTが光量子計算プラットフォームに量子性の強い光パルスを導入、非線形演算も可能に
量子性の強い光パルスに対して演算を実行する場合の手順

実証実験では、線形演算の1つであるスクイージング演算を最大3ステップまで種類を変えながら実行し、期待通りの演算が行われていることが確認された。

さらに、光パルスの強い量子性を示す特徴が、2ステップの演算の後まで保たれていることも確認し、演算のエラーで失われやすい量子性を維持できるレベルで実行できていることも示した。

東京大学・NTT・NICTが光量子計算プラットフォームに量子性の強い光パルスを導入、非線形演算も可能に
量子性の強い光パルスに3ステップ演算を行った実験結果の一例

また、将来的には、量子性の強い光パルスと線形演算を組み合わせれば、従来できなかった非線形演算も実行可能となる。

このため、今回のプラットフォームを拡張していくことで、線形演算も非線形演算も含めたあらゆる計算が実行できる光量子コンピュータの実現へとつながると期待されている。

なお、今回のプラットフォームで採用している光回路構成は拡張性に優れた独自方式であり、今後これを多数の光パルスを用いた計算ができるシステムへとスケールアップしていく計画だ。

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