NTT集團(tuán)（簡(jiǎn)稱“NTT”，總裁兼首席執(zhí)行官：Jun Sawada，東京千代田區(qū)）(TOKYO:9432)與東京大學(xué)（校長(zhǎng)：Teruo Fujii，東京文京區(qū)）以及RIKEN（總裁：Hiroshi Matsumoto，埼玉和光市）合作開(kāi)發(fā)了一種光纖耦合量子光源（擠壓光源）(*1)，這種光源是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)大型通用光量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

量子計(jì)算機(jī)能夠利用量子疊加態(tài)和量子糾纏態(tài)等量子力學(xué)的獨(dú)特現(xiàn)象進(jìn)行并行計(jì)算處理，因此世界各地都在對(duì)其進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。在多種不同的方法中，使用光子的光量子計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)眾多。例如，它不需要其他方法所需的低溫和真空設(shè)備，因此具有緊湊的結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)創(chuàng)建時(shí)域多路復(fù)用量子糾纏態(tài)，無(wú)需微集成電路或設(shè)備并行化即可輕松增加量子位的數(shù)量。由于光的寬帶特性，高速計(jì)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通過(guò)使用利用光子奇偶性的光連續(xù)變量來(lái)實(shí)現(xiàn)，而非使用光子存在或不存在的離散變量。這種方法與低損耗光纖、高功能光器件等光通信技術(shù)具有很高的兼容性，在構(gòu)建通用大型容錯(cuò)光量子計(jì)算機(jī)方面取得了巨大進(jìn)展。

要實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算機(jī)，最重要的組件之一是生成擠壓光的量子光源，它是光量子計(jì)算機(jī)中量子性質(zhì)的源頭。特別是非常需要光纖耦合量子光源。擠壓光被用于生成量子糾纏，是一種具有偶數(shù)光子和擠壓量子噪聲的非經(jīng)典光。此外，量子糾錯(cuò)通過(guò)利用光子數(shù)量的奇偶性得以實(shí)現(xiàn)，因此，擠壓光在量子糾錯(cuò)中起到極其重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)大型通用容錯(cuò)光量子計(jì)算機(jī)，我們需要一種具有高度擠壓量子噪聲和光子數(shù)奇偶性的光纖耦合擠壓光源，即使在高光子數(shù)的組件中也能保持這種奇偶性。例如，要生成可用于大型量子計(jì)算的時(shí)域多路量子糾纏（二維簇態(tài)）(*2)，需要超過(guò)65%的擠壓水平。然而，由于難以生成高質(zhì)量的擠壓光，這種裝置從未被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

在這項(xiàng)研究中，我們開(kāi)發(fā)了一種新的光纖耦合量子光源，可在光通信波長(zhǎng)下使用。通過(guò)將其與光纖組件相結(jié)合，我們甚至首次在光纖封閉系統(tǒng)中成功地生成了連續(xù)波擠壓光，其擠壓量子噪聲超過(guò)75%，邊帶頻率超過(guò)6 THz。這意味著光量子計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)以兼容光纖的形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保持了光的寬帶特性。這將使我們能夠在一個(gè)使用光纖和光通信設(shè)備的穩(wěn)定和免維護(hù)的系統(tǒng)中開(kāi)發(fā)出光量子計(jì)算機(jī)。這將極大地推動(dòng)機(jī)架式大型光量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

這項(xiàng)研究成果將于2021年12月22日（美國(guó)時(shí)間）在美國(guó)科學(xué)期刊《應(yīng)用物理學(xué)通訊》(Applied Physics Letters)上發(fā)表。該論文還被選為“編輯推薦”論文。這項(xiàng)研究的一部分得到了日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)(JST) Moonshot研究與發(fā)展計(jì)劃的支持。

[要點(diǎn)]

我們開(kāi)發(fā)了一種光纖耦合的高性能擠壓光源模塊，該模塊將成為實(shí)現(xiàn)機(jī)架式光量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。

通過(guò)使用所開(kāi)發(fā)的光纖耦合量子光源模塊和光通信器件，首次在光纖封閉系統(tǒng)中成功生成連續(xù)波擠壓光，其量子噪聲在6 THz以上寬帶寬上的抑制率超過(guò)75%。

這一成果使我們有可能在一個(gè)免維護(hù)的穩(wěn)定光學(xué)系統(tǒng)中利用光學(xué)通信設(shè)備開(kāi)發(fā)出現(xiàn)實(shí)規(guī)模的光量子計(jì)算機(jī)，并將極大地推動(dòng)容錯(cuò)大型通用光量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

[背景]
全世界正在積極開(kāi)展實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)。最近，已有關(guān)于使用超導(dǎo)電路進(jìn)行約100個(gè)物理量子位的量子計(jì)算的報(bào)道。然而，要實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，大約需要一百萬(wàn)個(gè)物理量子位。因此，增加量子位的數(shù)量已經(jīng)成為量子計(jì)算的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)。為了通過(guò)超導(dǎo)電路或俘獲離子實(shí)現(xiàn)一百萬(wàn)個(gè)量子位，已經(jīng)采取了通過(guò)集成其元件和并行化設(shè)備來(lái)增加量子位數(shù)量的方法。另一方面，光量子計(jì)算機(jī)有望能夠進(jìn)行顛覆性的大型通用量子計(jì)算，它使用了時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)(*3)和測(cè)量誘導(dǎo)式量子操縱(*4)，這與傳統(tǒng)方法截然不同。在時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)中，我們將連續(xù)飛行的光分成時(shí)間段，并將信息置于分離的光脈沖上。通過(guò)這種方法，我們可以在不增加設(shè)備尺寸的情況下輕松增加時(shí)間軸上的量子位數(shù)量（圖1）。此外，理論上已經(jīng)證明，通過(guò)利用光子數(shù)量的奇偶性和光的連續(xù)變量可以實(shí)現(xiàn)量子糾錯(cuò)。通過(guò)使用低損耗光纖作為飛行光量子位的傳播介質(zhì)，并結(jié)合光通信設(shè)備，將能夠自由穩(wěn)定地生成大規(guī)模量子糾纏態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，只需四個(gè)擠壓光源、兩條不同長(zhǎng)度的光纖（光學(xué)延遲線）和五個(gè)分束器（圖2），就可以生成通用量子計(jì)算所必需的大規(guī)模二維簇態(tài)。這種方法不一定需要集成或大型設(shè)備，并且可以在機(jī)架式現(xiàn)實(shí)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算，而使用超導(dǎo)電路或俘獲離子的方法則需要元件集成或設(shè)備并行化。此外，這種方法可以通過(guò)利用光的高頻率進(jìn)行高速計(jì)算。這意味著不僅可以實(shí)現(xiàn)高速量子算法，而且其時(shí)鐘頻率也可以很高，使光量子計(jì)算機(jī)成為最終的高速信息處理技術(shù)。

到目前為止，我們已經(jīng)演示了各種光量子操作，通過(guò)使用由許多高精度排列的反射鏡組成的空間光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)這種光量子計(jì)算機(jī)。這是為了盡量減少光的光學(xué)損耗，并增強(qiáng)光之間的干涉。然而，如果反射鏡稍有錯(cuò)位，就無(wú)法獲得所需的特性，并且每次實(shí)驗(yàn)都必須重新調(diào)整光路。出于以上原因，要實(shí)現(xiàn)能實(shí)際使用的光量子計(jì)算機(jī)，必須使用接近光波導(dǎo)的光學(xué)系統(tǒng)，例如光集成電路或光纖，該系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行穩(wěn)定性和免維護(hù)性。光量子計(jì)算機(jī)中的擠壓光，作為一項(xiàng)基本元素尤為關(guān)鍵。這種非經(jīng)典光具有波的振幅或相位的擠壓量子噪聲（一對(duì)非交換性物理量）。由于這種光很難生成，而且很容易因光學(xué)損失而退化，因此來(lái)自光纖耦合擠壓光源的光往往質(zhì)量不佳。特別是65%以上的擠壓光，作為生成時(shí)域多路復(fù)用的大規(guī)模量子糾纏態(tài)（二維簇態(tài)）的必要條件，在光纖封閉配置下尚未實(shí)現(xiàn)。

[技術(shù)進(jìn)步]
我們開(kāi)發(fā)了一種低損耗光纖耦合量子光源模塊（光參量放大模塊）（圖3）。我們通過(guò)更新周期性極化鈮酸鋰(PPLN)波導(dǎo)的制造方法實(shí)現(xiàn)了低損耗，該波導(dǎo)是模塊的主要組成部分。該模塊利用NTT開(kāi)發(fā)的光通信設(shè)備組裝技術(shù)組裝成為低損耗光纖耦合模塊。在連接光纖組件的同時(shí)，我們成功地測(cè)量了擠壓光，其中量子噪聲擠壓率超過(guò)75%，帶寬超過(guò)6 THz（圖4）。這意味著光量子計(jì)算所需的量子態(tài)甚至可以在光纖的全封閉系統(tǒng)中生成和測(cè)量。因此，研制出的光纖耦合量子光源使得實(shí)現(xiàn)實(shí)用水平的穩(wěn)定、免維護(hù)的光量子計(jì)算機(jī)成為可能，這將極大地推動(dòng)未來(lái)的發(fā)展。

在該實(shí)驗(yàn)中，我們使用了一種新方法，用第一個(gè)模塊生成擠壓光，用第二個(gè)模塊將光量子信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信息。作為光源開(kāi)發(fā)的光參量放大器被用于相反的方向，以實(shí)現(xiàn)保持光子數(shù)量奇偶性的光放大。這種測(cè)量方法不同于傳統(tǒng)的平衡零差檢測(cè)技術(shù)，它可以將量子信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信號(hào)，而無(wú)需將其轉(zhuǎn)變?yōu)?a target="_blank">電子。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)極其快速的測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)在未來(lái)可用于實(shí)現(xiàn)全光量子計(jì)算機(jī)，并將極大地促進(jìn)實(shí)現(xiàn)以太赫茲時(shí)鐘頻率運(yùn)行、速度極快的全光量子計(jì)算機(jī)。

[術(shù)語(yǔ)]
*1 擠壓光源
在非交換性物理量對(duì)的量子波動(dòng)（量子噪聲）之一受擠壓狀態(tài)下生成光的裝置。這種光源通過(guò)有效誘導(dǎo)非線性光學(xué)現(xiàn)象的介質(zhì)得以實(shí)現(xiàn)。

*2 二維(2D)簇態(tài)
可以實(shí)現(xiàn)任何量子計(jì)算模式的大規(guī)模量子糾纏態(tài)。2019年，東京大學(xué)的Akira Furusawa教授及其同事實(shí)現(xiàn)了一個(gè)擁有超過(guò)一萬(wàn)個(gè)光量子的二維光學(xué)簇態(tài)。[參考文獻(xiàn)1]

*3 用于生成量子糾纏的時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)一種生成量子糾纏的方法：通過(guò)對(duì)連續(xù)量子光源發(fā)出的光進(jìn)行時(shí)間分離，并利用光學(xué)延遲干涉儀對(duì)分離的量子波包（脈沖）進(jìn)行干擾，從有限數(shù)量的量子光源生成大規(guī)模糾纏態(tài)。

*4 基于測(cè)量的量子計(jì)算
一種可進(jìn)行通用量子計(jì)算的方法，計(jì)算能力相當(dāng)于已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開(kāi)研究的基于門的量子計(jì)算機(jī)。這種方法與傳統(tǒng)的基于門的量子計(jì)算不同，在傳統(tǒng)的量子計(jì)算中，單個(gè)量子位被門操作糾纏，而這種方法則涉及提前準(zhǔn)備大規(guī)模量子糾纏。我們可以通過(guò)觀察某些量子位來(lái)操縱剩余的量子位。

[參考文獻(xiàn)1]
W. Asavanant, et al., "Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state,"（時(shí)域多路復(fù)用二維簇態(tài)的生成）Science 366, 373 (2019)。

圖1：通過(guò)時(shí)域多路復(fù)用技術(shù)生成大規(guī)模量子纏結(jié)狀態(tài)（圖示：美國(guó)商業(yè)資訊）

圖2：生成實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算的大規(guī)模光學(xué)量子糾纏態(tài)的基本組件。它由四個(gè)量子光源、兩條不同長(zhǎng)度的光纖延遲線和五個(gè)分束器組成。（圖示：美國(guó)商業(yè)資訊）

圖3：新開(kāi)發(fā)的量子光源（光參量放大器）。（圖示：美國(guó)商業(yè)資訊）

圖4：量子噪聲水平測(cè)量結(jié)果。與散粒噪聲水平相比，擠壓噪聲水平顯示噪聲衰減超過(guò)75%。（圖示：美國(guó)商業(yè)資訊）