东京大学研究生院工学系研究科川崎彬斗博士生、Asavanant Warit助教、古泽明教授等人的研究团队和美国马萨诸塞大学的Rajveer Nehra副教授、日本电信电话公司（NTT）、日本信息通信研究机构（NICT）、日本理化学研究所于11月1日发表研究成果称，成功地将具有“薛定谔猫态”强量子性（非经典性）的光量子态的生成速率加速到了比既往方法快1000倍左右的水平。
图1 既往的量子态生成（A）与本次研究的量子态生成（B）（供图：东京大学）
量子计算机的实际应用面临着各种丞待克服的挑战。对于任何物理系统来说都是重大挑战的是，计算规模的扩大化（可扩展性）和容错性。实现规模扩大化的难点在于能否从研发阶段的数百量子比特左右的小规模系统扩展到实用应用所需的数百万量子比特的大规模系统。
尤其是量子系统因其对外界干扰的敏感性和复杂性，使得小规模系统扩展到大规模系统的方法尚不明确，一直是许多物理系统中实现实用型量子计算机的瓶颈。对此，东京大学古泽研究室的研究团队于2019年打造出具备可扩展性的光量子计算平台，较其他物理系统具有优势。
另一方面，在实现容错性方面，现实系统中不可避免会存在噪声和错误，因此需要一种即使在有可能发生错误的环境下也会正确执行量子信息处理的机制。其中一种方法是实现可以检测并纠正错误、同时对量子信息进行编码（转换）的“逻辑量子比特”。该研究团队曾于2024年宣布全球首次成功生成了被称为GKP （Gottesman-Kitaev-Preskill）量子比特的最强逻辑量子比特。
然而，生成这种GKP量子比特的方法需要使用多种被称为“薛定谔猫态”的强非经典性的量子态。因此，将该方法应用于既往的光学系统时，“薛定谔猫态”的生成速率仅止于kHz量级，导致用于生成GKP量子比特的猫态速率进一步降低，从而限制了量子计算的速度。
这种生成速率限制了量子计算速度，如果不解决这一问题，基于GKP量子比特的容错型光量子计算机的实际应用将十分困难。
这种生成速率的限制源于两个原因：一个是控制作为量子光源（压缩光）的量子波动的光源频率频带；二是量子测量的限制。
压缩光的频带不仅会决定生成速率，还会决定已生成量子态的光束形状。为了正确观测被该光束定义的量子态，需要能够观测比该光束更宽频率频带的零差检测器。
作为既往量子光学实验中各种要素的典型值，压缩光源频带的最高被限制在MHz量级，而零差检测器的频带则因需确保较高量子效率一直以来被限制在100MHz左右。
本次研究中，研究团队通过将NTT主导开发的光学参量放大器（OPA）用作压缩光源，并采用东京大学与NICT合作开发的超导光子探测器，大幅提高了光源和测量的频率频带。结果表明，团队成功地将既往数MHz的压缩光源频带提升至6THz（太赫兹，约100万倍），将测量系统从100MHz加速至70GHz（700倍），从而实现了高速生成的光量子态。
生成速率达到约1MHz，较既往的“薛定谔猫态”生成速率提高了3个数量级（1000倍）左右。在光束形状方面，研究团队也成功测量了亚纳秒尺度的光束（既往为数十至数百纳秒左右），证明了本次研究实现的高速测量的有效性。
尽管本次研究中光子探测器的性能扔对生成速率有限制，但研究团队预期，若能解除这种限制，生成速率将实现比当前提高1000倍，从而推动超高速光量子计算机的实现。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Communications
论文：Broadband generation and tomography of non-Gaussian states for ultra-fast optical quantum processors
DOI：10.1038/s41467-024-53408-w
