NTT：實(shí)現(xiàn)面向容錯大型通用光量子計算機(jī)的模塊化量子光源

NTT集團(tuán)（簡稱“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：Teruo Fujii，東京文京區(qū)）以及RIKEN（總裁：Hiroshi Matsumoto，埼玉和光市）合作開發(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)容錯大型通用光量子計算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)。

量子計算機(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)行并行計算處理，因此世界各地都在對其進(jìn)行研究和開發(fā)。在多種不同的方法中，使用光子的光量子計算機(jī)優(yōu)勢眾多。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，通過創(chuàng)建時域多路復(fù)用量子糾纏態(tài)，無需微集成電路或設(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使用利用光子奇偶性的光連續(xù)變量來實(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)建通用大型容錯光量子計算機(jī)方面取得了巨大進(jìn)展。

要實(shí)現(xiàn)光量子計算機(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，量子糾錯通過利用光子數(shù)量的奇偶性得以實(shí)現(xiàn)，因此，擠壓光在量子糾錯中起到極其重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)大型通用容錯光量子計算機(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算的時域多路量子糾纏（二維簇態(tài)）(*2)，需要超過65%的擠壓水平。然而，由于難以生成高質(zhì)量的擠壓光，這種裝置從未被開發(fā)出來。

在這項研究中，我們開發(fā)了一種新的光纖耦合量子光源，可在光通信波長下使用。通過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75%，邊帶頻率超過6 THz。這意味著光量子計算機(jī)中的關(guān)鍵設(shè)備已經(jīng)以兼容光纖的形式實(shí)現(xiàn)，同時保持了光的寬帶特性。這將使我們能夠在一個使用光纖和光通信設(shè)備的穩(wěn)定和免維護(hù)的系統(tǒng)中開發(fā)出光量子計算機(jī)。這將極大地推動機(jī)架式大型光量子計算機(jī)的發(fā)展。

這項研究成果將于2021年12月22日（美國時間）在美國科學(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)展計劃的支持。

[要點(diǎn)]

我們開發(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)架式光量子計算機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。

通過使用所開發(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75%。

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

[背景]
全世界正在積極開展實(shí)現(xiàn)通用量子計算機(jī)的研究和開發(fā)。最近，已有關(guān)于使用超導(dǎo)電路進(jìn)行約100個物理量子位的量子計算的報道。然而，要實(shí)現(xiàn)容錯通用量子計算機(jī)，大約需要一百萬個物理量子位。因此，增加量子位的數(shù)量已經(jīng)成為量子計算的一項主要挑戰(zhàn)。為了通過超導(dǎo)電路或俘獲離子實(shí)現(xiàn)一百萬個量子位，已經(jīng)采取了通過集成其元件和并行化設(shè)備來增加量子位數(shù)量的方法。另一方面，光量子計算機(jī)有望能夠進(jìn)行顛覆性的大型通用量子計算，它使用了時域多路復(fù)用技術(shù)(*3)和測量誘導(dǎo)式量子操縱(*4)，這與傳統(tǒng)方法截然不同。在時域多路復(fù)用技術(shù)中，我們將連續(xù)飛行的光分成時間段，并將信息置于分離的光脈沖上。通過這種方法，我們可以在不增加設(shè)備尺寸的情況下輕松增加時間軸上的量子位數(shù)量（圖1）。此外，理論上已經(jīng)證明，通過利用光子數(shù)量的奇偶性和光的連續(xù)變量可以實(shí)現(xiàn)量子糾錯。通過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)。具體來說，只需四個擠壓光源、兩條不同長度的光纖（光學(xué)延遲線）和五個分束器（圖2），就可以生成通用量子計算所必需的大規(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，這種方法可以通過利用光的高頻率進(jìn)行高速計算。這意味著不僅可以實(shí)現(xiàn)高速量子算法，而且其時鐘頻率也可以很高，使光量子計算機(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)來實(shí)現(xiàn)這種光量子計算機(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，如果反射鏡稍有錯位，就無法獲得所需的特性，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。光量子計算機(jī)中的擠壓光，作為一項基本元素尤為關(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，我們成功地測量了擠壓光，其中量子噪聲擠壓率超過75%，帶寬超過6 THz（圖4）。這意味著光量子計算所需的量子態(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)的光量子計算機(jī)成為可能，這將極大地推動未來的發(fā)展。

在該實(shí)驗(yàn)中，我們使用了一種新方法，用第一個模塊生成擠壓光，用第二個模塊將光量子信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信息。作為光源開發(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。這種測量方法不同于傳統(tǒng)的平衡零差檢測技術(shù)，它可以將量子信號放大并轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信號，而無需將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?。因此，它能夠?qū)崿F(xiàn)極其快速的測量。這項技術(shù)在未來可用于實(shí)現(xiàn)全光量子計算機(jī)，并將極大地促進(jìn)實(shí)現(xiàn)以太赫茲時鐘頻率運(yùn)行、速度極快的全光量子計算機(jī)。

[術(shù)語]
*1 擠壓光源
在非交換性物理量對的量子波動（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)了一個擁有超過一萬個光量子的二維光學(xué)簇態(tài)。[參考文獻(xiàn)1]

*3 用于生成量子糾纏的時域多路復(fù)用技術(shù)一種生成量子糾纏的方法：通過對連續(xù)量子光源發(fā)出的光進(jìn)行時間分離，并利用光學(xué)延遲干涉儀對分離的量子波包（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 基于測量的量子計算
一種可進(jìn)行通用量子計算的方法，計算能力相當(dāng)于已經(jīng)在世界范圍內(nèi)展開研究的基于門的量子計算機(jī)。這種方法與傳統(tǒng)的基于門的量子計算不同，在傳統(tǒng)的量子計算中，單個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。我們可以通過觀察某些量子位來操縱剩余的量子位。

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

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

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

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

圖4：量子噪聲水平測量結(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75%。（圖示：美國商業(yè)資訊）