原创 NTT：实现面向容错大型通用光量子计算机的模块化量子光源

NTT集团（简称“NTT”，总裁兼首席执行官：Jun Sawada，东京千代田区）(TOKYO:9432)与东京大学（校长：Teruo Fujii，东京文京区）以及RIKEN（总裁：Hiroshi Matsumoto，埼玉和光市）合作开发了一种光纤耦合量子光源（挤压光源）(*1)，这种光源是实现容错大型通用光量子计算机的关键技术。

量子计算机能够利用量子叠加态和量子纠缠态等量子力学的独特现象进行并行计算处理，因此世界各地都在对其进行研究和开发。在多种不同的方法中，使用光子的光量子计算机优势众多。例如，它不需要其他方法所需的低温和真空设备，因此具有紧凑的结构。此外，通过创建时域多路复用量子纠缠态，无需微集成电路或设备并行化即可轻松增加量子位的数量。由于光的宽带特性，高速计算处理也成为可能。此外，量子误差校正在理论上已被证明可以通过使用利用光子奇偶性的光连续变量来实现，而非使用光子存在或不存在的离散变量。这种方法与低损耗光纤、高功能光器件等光通信技术具有很高的兼容性，在构建通用大型容错光量子计算机方面取得了巨大进展。

要实现光量子计算机，最重要的组件之一是生成挤压光的量子光源，它是光量子计算机中量子性质的源头。特别是非常需要光纤耦合量子光源。挤压光被用于生成量子纠缠，是一种具有偶数光子和挤压量子噪声的非经典光。此外，量子纠错通过利用光子数量的奇偶性得以实现，因此，挤压光在量子纠错中起到极其重要的作用。为了实现大型通用容错光量子计算机，我们需要一种具有高度挤压量子噪声和光子数奇偶性的光纤耦合挤压光源，即使在高光子数的组件中也能保持这种奇偶性。例如，要生成可用于大型量子计算的时域多路量子纠缠（二维簇态）(*2)，需要超过65%的挤压水平。然而，由于难以生成高质量的挤压光，这种装置从未被开发出来。

在这项研究中，我们开发了一种新的光纤耦合量子光源，可在光通信波长下使用。通过将其与光纤组件相结合，我们甚至首次在光纤封闭系统中成功地生成了连续波挤压光，其挤压量子噪声超过75%，边带频率超过6 THz。这意味着光量子计算机中的关键设备已经以兼容光纤的形式实现，同时保持了光的宽带特性。这将使我们能够在一个使用光纤和光通信设备的稳定和免维护的系统中开发出光量子计算机。这将极大地推动机架式大型光量子计算机的发展。

这项研究成果将于2021年12月22日（美国时间）在美国科学期刊《应用物理学通讯》(Applied Physics Letters)上发表。该论文还被选为“编辑推荐”论文。这项研究的一部分得到了日本科学技术振兴机构(JST) Moonshot研究与发展计划的支持。

[要点]

• 我们开发了一种光纤耦合的高性能挤压光源模块，该模块将成为实现机架式光量子计算机的关键设备。
• 通过使用所开发的光纤耦合量子光源模块和光通信器件，首次在光纤封闭系统中成功生成连续波挤压光，其量子噪声在6 THz以上宽带宽上的抑制率超过75%。
• 这一成果使我们有可能在一个免维护的稳定光学系统中利用光学通信设备开发出现实规模的光量子计算机，并将极大地推动容错大型通用光量子计算机的发展。

[背景]
全世界正在积极开展实现通用量子计算机的研究和开发。最近，已有关于使用超导电路进行约100个物理量子位的量子计算的报道。然而，要实现容错通用量子计算机，大约需要一百万个物理量子位。因此，增加量子位的数量已经成为量子计算的一项主要挑战。为了通过超导电路或俘获离子实现一百万个量子位，已经采取了通过集成其元件和并行化设备来增加量子位数量的方法。另一方面，光量子计算机有望能够进行颠覆性的大型通用量子计算，它使用了时域多路复用技术(*3)和测量诱导式量子操纵(*4)，这与传统方法截然不同。在时域多路复用技术中，我们将连续飞行的光分成时间段，并将信息置于分离的光脉冲上。通过这种方法，我们可以在不增加设备尺寸的情况下轻松增加时间轴上的量子位数量（图1）。此外，理论上已经证明，通过利用光子数量的奇偶性和光的连续变量可以实现量子纠错。通过使用低损耗光纤作为飞行光量子位的传播介质，并结合光通信设备，将能够自由稳定地生成大规模量子纠缠态。具体来说，只需四个挤压光源、两条不同长度的光纤（光学延迟线）和五个分束器（图2），就可以生成通用量子计算所必需的大规模二维簇态。这种方法不一定需要集成或大型设备，并且可以在机架式现实设备上实现通用量子计算，而使用超导电路或俘获离子的方法则需要元件集成或设备并行化。此外，这种方法可以通过利用光的高频率进行高速计算。这意味着不仅可以实现高速量子算法，而且其时钟频率也可以很高，使光量子计算机成为最终的高速信息处理技术。

到目前为止，我们已经演示了各种光量子操作，通过使用由许多高精度排列的反射镜组成的空间光学系统来实现这种光量子计算机。这是为了尽量减少光的光学损耗，并增强光之间的干涉。然而，如果反射镜稍有错位，就无法获得所需的特性，并且每次实验都必须重新调整光路。出于以上原因，要实现能实际使用的光量子计算机，必须使用接近光波导的光学系统，例如光集成电路或光纤，该系统具有良好的运行稳定性和免维护性。光量子计算机中的挤压光，作为一项基本元素尤为关键。这种非经典光具有波的振幅或相位的挤压量子噪声（一对非交换性物理量）。由于这种光很难生成，而且很容易因光学损失而退化，因此来自光纤耦合挤压光源的光往往质量不佳。特别是65%以上的挤压光，作为生成时域多路复用的大规模量子纠缠态（二维簇态）的必要条件，在光纤封闭配置下尚未实现。

[技术进步]
我们开发了一种低损耗光纤耦合量子光源模块（光参量放大模块）（图3）。我们通过更新周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的制造方法实现了低损耗，该波导是模块的主要组成部分。该模块利用NTT开发的光通信设备组装技术组装成为低损耗光纤耦合模块。在连接光纤组件的同时，我们成功地测量了挤压光，其中量子噪声挤压率超过75%，带宽超过6 THz（图4）。这意味着光量子计算所需的量子态甚至可以在光纤的全封闭系统中生成和测量。因此，研制出的光纤耦合量子光源使得实现实用水平的稳定、免维护的光量子计算机成为可能，这将极大地推动未来的发展。

在该实验中，我们使用了一种新方法，用第一个模块生成挤压光，用第二个模块将光量子信息转换为经典光信息。作为光源开发的光参量放大器被用于相反的方向，以实现保持光子数量奇偶性的光放大。这种测量方法不同于传统的平衡零差检测技术，它可以将量子信号放大并转换为经典光信号，而无需将其转变为电子。因此，它能够实现极其快速的测量。这项技术在未来可用于实现全光量子计算机，并将极大地促进实现以太赫兹时钟频率运行、速度极快的全光量子计算机。

[术语]
*1 挤压光源
在非交换性物理量对的量子波动（量子噪声）之一受挤压状态下生成光的装置。这种光源通过有效诱导非线性光学现象的介质得以实现。

*2 二维(2D)簇态
可以实现任何量子计算模式的大规模量子纠缠态。2019年，东京大学的Akira Furusawa教授及其同事实现了一个拥有超过一万个光量子的二维光学簇态。[参考文献1]

*3 用于生成量子纠缠的时域多路复用技术一种生成量子纠缠的方法：通过对连续量子光源发出的光进行时间分离，并利用光学延迟干涉仪对分离的量子波包（脉冲）进行干扰，从有限数量的量子光源生成大规模纠缠态。

*4 基于测量的量子计算
一种可进行通用量子计算的方法，计算能力相当于已经在世界范围内展开研究的基于门的量子计算机。这种方法与传统的基于门的量子计算不同，在传统的量子计算中，单个量子位被门操作纠缠，而这种方法则涉及提前准备大规模量子纠缠。我们可以通过观察某些量子位来操纵剩余的量子位。

[参考文献1]
W. Asavanant, et al., "Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state,"（时域多路复用二维簇态的生成）Science 366, 373 (2019)。

图1：通过时域多路复用技术生成大规模量子缠结状态（图示：美国商业资讯）

图2：生成实现通用量子计算的大规模光学量子纠缠态的基本组件。它由四个量子光源、两条不同长度的光纤延迟线和五个分束器组成。（图示：美国商业资讯）

图3：新开发的量子光源（光参量放大器）。（图示：美国商业资讯）

图4：量子噪声水平测量结果。与散粒噪声水平相比，挤压噪声水平显示噪声衰减超过75%。（图示：美国商业资讯）