近日发布的一项研究成果迈出了实现通用型光量子计算机的重要一步。东京大学研究生院工学系研究科的绀野峻矢研究生（研究当时）、阿萨巴南特·瓦利特助教（Warit Asavanant）、古泽明教授的研究团队与信息通信研究机构（NICT）、理化学研究所、捷克·帕拉茨基大学的佩特尔·马雷克（Petr Marek）副教授、拉迪姆·菲利普（Radim Filip）教授、德国美因茨大学的彼得·范·鲁克（Peter van Loock）教授联合发表研究成果称，全球首次生成了光逻辑量子比特（Gottesman-Kitaev-Preskill量子比特、简称GKP量子比特）。古泽教授表示：“通过与迄今为止实现的大规模量子乘法运算等相结合，大规模容错性光量子计算机的实现将指日可待。计划在9月成立初创企业OptQC，推进社会应用”。相关成果已刊登在《Science》上。
图1 古泽明教授（右）和阿萨巴南特·瓦利特助教在新闻发布会上（供图：科学新闻）
图2：东京大学和NICT联合开发的超导光子测量器（供图：东京大学、NICT（信息通信研究机构））
目前的计算机为了防止由于某种原因出现的错误，都配备由容错功能。例如，同时进行多个相同处理，相同答案次数最多的即定为正确输出。由于超导等量子计算机也可以采用类似的方法，因此纠错必须使用大量物理量子比特来创建逻辑量子比特。这为实现纠错带来了很大障碍。
另一方面，在光量子计算机中，可以用1个物理量子比特（光脉冲）实现1个逻辑量子比特的GKP量子比特被认为具有很大前景，但实现GKP量子比特的结构需要使用强非线性。与超导和离子阱等静态系统不同，光的传播波的非线性很难放大，这成为实现光量子计算机逻辑量子比特的主要课题之一。
本次研究中，研究人员使用与NICT合作开发的光子测量器（量子效率约为75%，定时抖动为70ps），利用光生成了GKP状态。
在实验中，为生成GKP状态，研究人员首先生成了薛定谔猫态（相位反转的经典激光束叠加的状态）。虽然薛定谔猫态是一种量子性很高的状态，但与GKP状态具有不同结构，为了塑造其结构，使用了光学系统中易于实现的线性光学元件。结果，成功地形成了具有特定峰值数量和锐度的GKP状态。
尽管本次的GKP状态是一步生成的，但可以通过重复相同的方法来增加峰值数量。由于光的GKP量子比特中原本就包含大量光子，且这些光子处于量子纠缠态，因此发生错误的概率本身就极小。而进一步生成更多脉冲（GKP量子比特）是实现容错光量子计算机的重要一步。
截止目前，在光量子计算机方面，研究团队除了已成功验证可大规模实现任何量子操作的量子计算平台，还通过结合半导体电路实现了量子态下的乘法运算。随着本次GKP量子比特的生成，实现容错光量子计算机的部件已准备齐全。
古泽教授等计划于今年9月设立OptQC公司，由高濑宽助教出任CEO（首席执行官），阿萨巴南特·瓦利特助教出任CTO（首席技术官）。新公司首先将使用大规模光量子网络的神经网络来构建AI基础设施。高濑助教表示：“首先，我们将通过发掘对AI的需求并将其商业化”。阿萨巴南特·瓦利特助教表示：“大规模神经网络是实现大规模光量子计算机的一个步骤”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Science
论文：Logical states for fault-tolerant quantum computation with propagating light
DOI：10.1126/science.adk7560
