TOKIO--(BUSINESS WIRE)--NTT Corporation (NTT, Präsident & CEO: Jun Sawada, Chiyoda-ku, Tokio)(TOKYO:9432) hat in Kooperation mit der University of Tokyo (Präsident: Teruo Fujii, Bunkyo-ku, Tokio) und RIKEN (Präsident: Hiroshi Matsumoto, Wako-shi, Saitama) eine fasergekoppelte Quantenlichtquelle (Squeezed Light Source) (*1) entwickelt, die eine Schlüsseltechnologie zur Realisierung eines fehlertoleranten universellen optischen Quantencomputers in großem Maßstab darstellt.
Quantencomputer werden weltweit erforscht und entwickelt, weil sie in der Lage sind, parallele Berechnungen durchzuführen, indem sie einzigartige Phänomene der Quantenmechanik wie Quantenüberlagerungszustände und Quantenverschränkungszustände verwenden. Während verschiedene Methoden in Betracht gezogen werden, hat der optische Quantencomputer mit Photonen viele Vorteile. Er erfordert beispielsweise keine Niedertemperatur- und Vakuumausrüstung, die für andere Verfahren erforderlich ist, was ihn kompakt macht. Durch die Erzeugung eines quantenverschränkten Zustands mit Zeitbereichs-Multiplex kann die Anzahl der Qubits leicht ohne Mikrointegration von Schaltkreisen oder Parallelisierung von Geräten erhöht werden. Darüber hinaus ist dank der Breitbandnatur des Lichts eine Hochgeschwindigkeits-Rechenverarbeitung möglich. Darüber hinaus wurde theoretisch gezeigt, dass eine Quantenfehlerkorrektur möglich ist, indem kontinuierliche Lichtvariablen verwendet werden, die die Parität von Photonen nutzen, anstatt diskrete Variablen zu verwenden, die das Vorhandensein oder Fehlen von Photonen verwenden. Dieses Verfahren weist eine hohe Kompatibilität mit optischen Kommunikationstechnologien wie verlustarmen Glasfasern und hochfunktionalen optischen Geräten auf, was einen dramatischen Fortschritt in Richtung auf den Bau universeller fehlertoleranter optischer Quantencomputer im großen Maßstab macht.
Um optische Quantencomputer zu realisieren, ist eine der wichtigsten Komponenten eine Quantenlichtquelle, die Quetschlicht erzeugt, was der Ursprung der Quantennatur in optischen Quantencomputern ist. Insbesondere ist eine fasergekoppelte Quantenlichtquelle sehr erwünscht. Quetschlicht ist ein nicht-klassisches Licht mit einer geraden Anzahl von Photonen und gequetschtem Quantenrauschen und wird verwendet, um eine Quantenverschränkung zu erzeugen. Darüber hinaus spielt Quetschlicht eine äußerst wichtige Rolle bei der Quantenfehlerkorrektur, da die Quantenfehlerkorrektur durch Ausnutzung der Parität der Photonenzahl ermöglicht wird. Um einen großen universellen fehlertoleranten optischen Quantencomputer zu erreichen, benötigen wir eine fasergekoppelte Quetschlichtquelle mit stark gequetschtem Quantenrauschen und einer Photonenzahlparität, die selbst in Komponenten mit hoher Photonenzahl aufrechterhalten wird. Beispielsweise ist ein Quetschniveau von über 65 % erforderlich, um eine Mehrfachquantenverschränkung im Zeitbereich (zweidimensionale Clusterzustände) (*2) zu erzeugen, die für groß angelegte Quantenberechnungen verwendet werden kann. Jedoch wurden solche Vorrichtungen wegen der Schwierigkeit, das Quetschlicht mit hoher Qualität zu erzeugen, nie entwickelt.
In dieser Studie haben wir eine neue fasergekoppelte Quantenlichtquelle entwickelt, die bei optischen Kommunikationswellenlängen arbeitet. Durch die Kombination mit Glasfaserkomponenten erzeugen wir erstmals auch in einem geschlossenen Glasfasersystem erfolgreich Quetschlicht im Dauerstrich mit mehr als 75 % gequetschtem Quantenrauschen mit mehr als 6 THz Seitenbandfrequenz. Dies bedeutet, dass das Schlüsselgerät in optischen Quantencomputern in einer Form realisiert wurde, die mit Glasfasern kompatibel ist, während die Breitbandnatur des Lichts erhalten bleibt. Dies wird die Entwicklung eines optischen Quantencomputers in einem stabilen und wartungsfreien System ermöglichen, das optische Fasern und optische Kommunikationsgeräte verwendet. Dies wird die Entwicklung von großen optischen Quantencomputern in Rackgröße erheblich voranbringen.
Die Ergebnisse dieser Forschung sollen am 22. Dezember 2021 (US-Zeit) in der amerikanischen Fachzeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht werden. Dieses Papier wurde auch als „Auswahlpapier eines Herausgebers“ ausgewählt. Ein Teil dieser Forschung wurde vom Moonshot Research and Development Program der Japan Science and Technology Agency (JST) unterstützt.
[Punkte]
- Wir haben ein glasfasergekoppeltes Hochleistungsquetschlichtquellenmodul entwickelt, das ein Schlüsselelement für die Realisierung eines optischen Quantencomputers in Rackgröße sein wird.
- Durch die Verwendung des entwickelten fasergekoppelten Quantenlichtquellenmoduls und optischer Kommunikationsgeräte wurde zum ersten Mal erfolgreich kontinuierliches Quetschlicht mit einem um mehr als 75 % unterdrückten Quantenrauschen über eine große Bandbreite von mehr als 6 THz in einem geschlossenen Glasfasersystem erzeugt.
- Diese Errungenschaft ermöglicht die Entwicklung eines optischen Quantencomputers im realistischen Maßstab in einem stabilen und wartungsfreien optischen System unter Verwendung optischer Kommunikationsgeräte und wird die Entwicklung eines fehlertoleranten universellen optischen Quantencomputers in großem Maßstab stark voranbringen.
[Hintergrund]
Forschung und Entwicklung zur Realisierung eines universellen Quantencomputers werden weltweit aktiv betrieben. Kürzlich wurde über Quantenberechnungen mit etwa 100 physikalischen Qubits berichtet, die supraleitende Schaltkreise verwenden. Um einen fehlertoleranten universellen Quantencomputer zu realisieren, sind jedoch etwa eine Million physikalische Qubits erforderlich. Daher ist die Erhöhung der Anzahl von Qubits zu einer großen Herausforderung bei der Quantenberechnung geworden. Um eine Million Qubits durch supraleitende Schaltkreise oder gefangene Ionen zu realisieren, wurden Ansätze verfolgt, die Anzahl der Qubits durch die Integration seiner Elemente und die Parallelisierung von Geräten zu erhöhen. Auf der anderen Seite wird erwartet, dass ein optischer Quantencomputer in der Lage ist, überwältigend groß angelegte universelle Quantenberechnungen durchzuführen, die eine Zeitbereichs-Multiplexing-Technik (*3) und messinduzierte Quantenmanipulation (*4) verwenden, was einen völlig anderen Ansatz als herkömmliche Methoden darstellt. Bei der Time-Domain-Multiplexing-Technik teilen wir kontinuierlich fliegendes Licht in Zeitsegmente und platzieren Informationen auf den separierten Lichtpulsen. Mit dieser Methode können wir die Anzahl der Qubits auf der Zeitachse leicht erhöhen, ohne die Ausrüstung zu vergrößern (Abb. 1). Darüber hinaus wurde theoretisch gezeigt, dass eine Quantenfehlerkorrektur möglich ist, indem die Parität der Anzahl der Photonen und die kontinuierlichen Variablen des Lichts verwendet werden. Durch die Verwendung einer verlustarmen optischen Faser als Ausbreitungsmedium für fliegende optische Qubits können in Kombination mit optischen Kommunikationsgeräten großskalige quantenverschränkte Zustände frei und stabil erzeugt werden. Konkret lassen sich mit nur vier Quetschlichtquellen, zwei unterschiedlich langen Lichtleitfasern (optische Verzögerungsleitungen) und fünf Strahlteilern (Abb. 2) großräumige zweidimensionale Clusterzustände erzeugen, die für universelle Quantenberechnungen notwendig sind. Dies ist ein Ansatz, der nicht unbedingt Integration oder Großgeräte erfordert und es ermöglicht, universelle Quantenberechnungen im realistischen Gerätemaßstab eines Racks zu realisieren, während Methoden mit supraleitenden Schaltkreisen oder gefangenen Ionen eine Integration von Elementen oder eine Parallelisierung von Geräten erfordern. Außerdem kann dieses Verfahren Hochgeschwindigkeitsberechnungen durchführen, indem es die hohe Lichtfrequenz nutzt. Dies bedeutet, dass nicht nur Hochgeschwindigkeits-Quantenalgorithmen implementiert werden können, sondern auch ihre Taktfrequenzen hoch sein können, was optische Quantencomputer zur ultimativen Hochgeschwindigkeits-Informationsverarbeitungstechnologie macht.
Bisher haben wir verschiedene optische Quantenoperationen demonstriert, um diesen optischen Quantencomputer zu realisieren, indem wir ein räumliches optisches System verwenden, das aus vielen hochpräzis ausgerichteten Spiegeln besteht. Dies dient dazu, den optischen Lichtverlust zu minimieren und die Interferenz zwischen Licht so weit wie möglich zu verstärken. Aber auch wenn die Spiegel nur geringfügig falsch ausgerichtet sind, werden die gewünschten Eigenschaften nicht erreicht und der Lichtweg musste für jedes Experiment neu justiert werden. Um einen optischen Quantencomputer für die praktische Verwendung zu realisieren, muss aus diesen Gründen ein optisches System verwendet werden, das gegenüber dem Lichtwellenleiter geschlossen ist, wie beispielsweise eine optische integrierte Schaltung oder eine optische Faser, die eine ausgezeichnete Betriebsstabilität aufweist und wartungsfrei ist. Insbesondere das grundlegendste Element in optischen Quantencomputern ist Quetschlicht. Dieses nicht-klassische Licht weist das gequetschte Quantenrauschen der Amplitude oder Phase einer Welle auf, das ein nicht kommutatives Paar physikalischer Größen ist. Da dieses Licht schwer zu erzeugen ist und durch optischen Verlust leicht abgebaut wird, neigt das Licht von einer mit einer optischen Faser gekoppelten Quetschlichtquelle dazu, schlecht zu sein. Insbesondere wurde mehr als 65 % Quetschlicht, das zum Erzeugen eines zeitbereichsgemultiplexten großskaligen Quantenverschränkungszustands (zweidimensionale Clusterzustände) erforderlich ist, mit einer geschlossenen Konfiguration einer optischen Faser nicht realisiert.
[Technischer Fortschritt]
Wir haben ein verlustarmes fasergekoppeltes Quantenlichtquellenmodul (Optical Parametric Amplification Module) entwickelt (Abb. 3). Durch die Erneuerung des Herstellungsverfahrens des periodisch gepolten Lithium-Niobat-(PPLN)-Wellenleiters, der den Hauptteil des Moduls bildet, haben wir geringe Verluste erreicht. Das Modul wurde als verlustarmes fasergekoppeltes Modul unter Verwendung der von NTT kultivierten Montagetechnik optischer Kommunikationsgeräte zusammengebaut. Beim Verbinden von Glasfaserkomponenten haben wir erfolgreich gequetschtes Licht gemessen, bei dem das Quantenrauschen auf mehr als 75 % mit einer Bandbreite von mehr als 6 THz gequetscht wird (Abb. 4). Damit lassen sich die für das optische Quantencomputing benötigten Quantenzustände auch in einem vollständig geschlossenen System in Glasfasern erzeugen und messen. Daher wird die entwickelte fasergekoppelte Quantenlichtquelle die Realisierung eines stabilen und wartungsfreien optischen Quantencomputers im realistischen Maßstab ermöglichen, der die zukünftige Entwicklung stark vorantreiben wird.
In diesem Experiment haben wir eine neue Methode verwendet, bei der das erste Modul Quetschlicht erzeugt und das zweite Modul die optische Quanteninformation in klassische Lichtinformation umwandelt. Der als Lichtquelle entwickelte optisch parametrische Verstärker wird in der entgegengesetzten Richtung verwendet, um eine optische Verstärkung zu erreichen, die die Photonenzahlparität beibehält. Im Gegensatz zur herkömmlichen symmetrischen Homodyn-Detektionstechnik kann diese Messmethode das Quantensignal verstärken und in ein klassisches optisches Signal umwandeln, ohne es in Elektronen umzuwandeln. Dadurch sind überwältigend schnelle Messungen möglich. Diese Technologie kann verwendet werden, um in Zukunft rein optische Quantencomputer zu realisieren und wird einen großen Beitrag dazu leisten, rein optische Quantencomputer zu realisieren, die mit Terahertz-Taktfrequenzen arbeiten und überwältigend schnell sind.
[Zukünftige Arbeiten]
In einem ersten Schritt werden wir einen optischen Quantencomputer aus optischen Faserkomponenten in Kombination mit verschiedenen bisher entwickelten optischen Quantenoperationen entwickeln. Darüber hinaus werden wir die Fähigkeit der Quantenlichtquelle zur Unterdrückung des Quantenrauschens verbessern, um einen fehlertoleranten großen universellen optischen Quantencomputer zu realisieren.
[Unterstützung für diese Forschung]
Diese Forschung wurde von der Japan Science and Technology Agency (JST) Moonshot R&D Project, Moonshot Goal 6, unterstützt: „Realisierung eines fehlertoleranten universellen Quantencomputers, der bis 2050 Wirtschaft, Industrie und Sicherheit revolutionieren wird“ (Programmdirektor: Katsuhiro Kitagawa, Professor, Graduate School of Engineering Science, Osaka University). F&E-Projekt „Development of Large-scale Fault-Tolerant Universal Optical Quantum Computers“ (Projektleiter: Akira Furusawa, Professor, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo).
[Kommentar des Projektleiters]
Bisher dachte man, dass integrierte Schaltkreise für die Realisierung eines großen Quantencomputers unabdingbar sind. Dieser Erfolg zeigt jedoch, dass integrierte Schaltkreise nicht notwendig sind und wir mit den entwickelten Modulen und Glasfaserkomponenten große optische Quantencomputer realisieren können. Mit dieser Errungenschaft ist die Realisierung eines großen Quantencomputers Realität geworden, und man kann sagen, dass eine bahnbrechende Technologie geboren wurde.
[Glossar]
*1 Quetschlichtquelle
Ein Gerät, das Licht in einem Zustand erzeugt, in dem eine der Quantenfluktuationen (Quantenrauschen) eines nicht kommutativen Paares physikalischer Größen komprimiert ist. Es wird durch ein Medium realisiert, das effektiv nichtlineare optische Phänomene induziert.
*2 Zweidimensionaler (2D) Clusterzustand
Ein großräumiger quantenverschränkter Zustand, der jedes Quantenberechnungsmuster realisieren kann. 2019 realisierten Professor Akira Furusawa und seine Kollegen von der University of Tokyo einen zweidimensionalen optischen Clusterzustand mit mehr als 10.000 optischen Qubits. [Ref. 1]
*3 Zeitbereichs-Multiplexing-Technik zur Erzeugung von Quantenverschränkung
Verfahren zum Erzeugen von großmaßstäblichen verschränkten Zuständen aus einer begrenzten Anzahl von Quantenlichtquellen durch zeitliches Trennen des von einer kontinuierlichen Quantenlichtquelle emittierten Lichts und Interferieren mit den getrennten Quantenwellenpaketen (Pulsen) mit einem optischen Verzögerungsinterferometer.
*4 Messbasierte Quantenberechnung
Ein Verfahren, das universelle Quantenberechnungen durchführen kann, die dem weltweit erforschten Gate-basierten Quantencomputer entsprechen. Anders als beim herkömmlichen Gate-basierten Quantencomputing, bei dem einzelne Qubits durch Gate-Operationen verschränkt werden, wird bei diesem Verfahren vorab eine groß angelegte Quantenverschränkung vorbereitet. Durch die Beobachtung einiger Qubits können wir die verbleibenden Qubits manipulieren.
[Referenz 1]
W. Asavanant, et al., "Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state," Science 366, 373 (2019).
[Veröffentlichungsinformationen]
Takahiro Kashiwazaki, Taichi Yamashima, Naoto Takanashi, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, and Akira Furusawa
"Fabrication of low-loss quasi-single-mode PPLN waveguide and its application to a modularized broadband high-level squeezer"
Applied Physics Letters
DOI: 10.1063/5.0063118
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