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物性・原理

究極の大規模光量子コンピュータ実現法を発明 ~1つの量子テレポーテーション回路を繰り返し利用~

 東京大学と国立研究開発法人 科学技術振興機構(JST)は2017年9月22日,同大学院工学系研究科の古澤明教授と武田俊太郎助教が,光路上で一列に連なった光パルスを用い,どれほど大規模な計算も最小規模の回路構成で効率良く実行できる光量子コンピュータ方式を発明したと発表した.本研究は,JST戦略的創造研究推進事業(CREST)の助成を受けて実施され,米国物理学会のPhysical Review Lettersに掲載された(注).

 量子コンピュータは,現代のスーパーコンピュータでも膨大な時間がかかる計算を一瞬で解くとされる新しい動作原理のコンピュータである.中でも光を用いた量子コンピュータは室温・大気中で動作するので,実用化に有利と考えられる.汎用光量子コンピュータの実現方法として,情報を乗せた多数の光パルスを多数の光路上に同時に準備し,それらを光回路によって処理する方式が考えられてきた.しかし,この方式では計算量が増えると回路規模が増大し,実用レベルの計算を行うには膨大なスペースと膨大な数の光学部品が必要となり,0と1の重ね合わせで表される量子ビットで10ビット程度での計算が限界だった.なお既にカナダのD-Wave System社が2000量子ビットを扱うものを開発しているが,これは汎用の量子コンピュータとして機能するものではなく,組み合わせ最適化問題を解くことに目的を絞ったマシンである.

 本研究グループは,光路上で一列に連なった光パルスを用いて,大規模な計算も最小規模の回路構成で実行できる汎用光量子コンピュータ方式を発明した.本方式ではループ構造を持つ光回路を用い,計算の基本単位となる「量子テレポーテーション」回路1個を無制限に繰返し用いて大規模な計算を行う.量子テレポーテーションとは,量子ビットの情報をそっくりそのまま別の場所に移動する通信手法である.本方式は,原理上100万個以上の量子ビットの処理が可能と見込まれる上,大規模化に必要なリソース・コストも大幅に減少でき,光量子コンピュータ開発にイノベーションをもたらすことが期待される.

 量子テレポーテーション回路では,入力した光パルスに補助光パルスを混合し,光操作デバイスで光パルスの状態を変化させることで,何種類かの基本的な計算を実行する.2013年に古澤教授らは,4.2m×1.5mの光学テーブル上に500枚以上のミラーやレンズなどの光学機器を配置して,量子テレポーテーション回路の機能を実証した.しかし,計算を実行するには量子ポーテーションを何個も組み合わせるから,計算機は巨大になる.今回実験で示した光量子コンピュータ方式は,光ループ内に量子テレポーテーション回路を組み込んで構成する.一列に連なった多数の光パルスが光ループ内を周回し,1個の量子テレポーテーション回路の機能を切り替えながら繰り返し用いることによって計算が実行される.ループ内で光パルスを何度も周回させることで計算ステップ数を無制限に大きくできるため,どれほど大規模な計算も実行できる.

 古澤教授らは2015年には,量子テレポーテーション回路の一部を20mm×5mm程の光チップに置き換える実験に成功している.最終的には,量子テレポーテーション回路全体も小型の光チップで実現できると考えられる.今後は,本方式の光量子コンピュータにおける計算精度や各種アルゴリズムの実装方法について解析を進め,汎用の大規模量子コンピュータの開発に取り組む,としている.

(注)Shuntaro Takeda and Akira Furusawa, "Universal quantum computing with measurement-induced continuous-variable gate sequence in a loop-based architecture", Physical Review Letters, Vol. 119, p. 120504 - Published 21 September 2017,DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.120504