伝搬する光の論理量子ビットの生成

量子情報処理において、情報を担うのは「量子ビット」というものです。通常の古典情報は「ビット」という0か1の値を取りますが、量子ビットの場合はこの0と1の重ね合わせを取ることができます。物理レベルの量子ビットでは何か外乱やエラーを起こすと、その量子情報を保持できなくなります。これを防ぐため、重ね合わせを保持したまま、エラーの情報を取り出し、情報を復元する「論理量子ビット」を構成することができます。論理量子ビットの構成は複数の量子ビットから冗長性を持たせて構成することが多いのですが、今回の成果で登場するGKP量子ビットは1つの量子ビットにその冗長性を持つ構造を作ることで論理量子ビットを実現できます。

実用において、たくさんのステップ数及び入力数の量子計算が必要になります。それにより、現実的なシステムであれば、計算の過程でエラーが蓄積してしまい、数ステップ程度で情報の信頼度が失われます。現実的なエラーの下でも最終的な量子計算結果が正しい究極的な量子コンピュータは「誤り耐性型量子コンピュータ」と呼ばれます。その実現方法は量子情報を単なる量子ビットではなく、論理量子ビットにエンコードし、計算過程の途中で蓄積し始めたエラーを検知するための操作をし、そのエラーを除去していくことで、大規模な計算でも正しい計算結果にたどり着けます。

量子情報処理を実現するさまざまなシステムは物理的な性質の観点で分けると静止したシステム（定在波）か伝搬波で分けられます。定在波の代表例としては超伝導やイオントラップが挙げられ、伝搬波の代表例は光です。定在波のシステムでは量子ビットそのものが静止しているため、その制御や操作、特に非線形性で詳しく説明する非線形操作を容易に実装することができますが、実際の空間上に量子ビットを配置する必要があるため、配線や結合、大規模化などの観点では課題が多いです。それに対して、伝搬波は伝搬する性質から量子通信や大規模ネットワークに向いている一方、操作、特に非線形操作は工夫が必要です。本研究グループでは伝搬波の光の特性を活かしつつ、非線形性の導入にさまざまな工夫をし、実用的な大規模量子コンピュータシステムを目指しています。

量子計算での操作は線形操作と非線形操作に分類することができます。どちらの操作も量子計算を行う上で必要不可欠な操作です。この線形性及び非線形性は作用する物理的な量に対して線形（比例や足し算）なのか、非線形（乗数など）なのかで分類しています。どの種類の操作が得意であるかについては物理系に依存していますが、大まかには定在波のシステムはもともと強い非線形性を有しているシステムや非線形性を定在波で増強できるのに対して、線形操作が不得意な場合が多いです。一方、光の伝搬波では線形操作は通常の光学素子で実現できてしまい、大規模でも実現しやすい一方、非線形性をほとんど有していないので、論理量子ビットの生成に必要な非線形性を工夫して導入する必要があります。

シュレディンガーの思考実験に因んだ量子状態のことです。光のシステムでは位相が反転した古典的なレーザ光を重ね合わせた状態のことを指しています。シュレディンガーの猫状態の特徴は量子干渉による干渉縞を有しており、非常に高い量子性を併せ持っていますが、その構造は上述したGKP量子ビットと異なります。