成果概要
ネットワーク型量子コンピュータによる量子サイバースペース[1] 原子ネットワーク型技術
2024年度までの進捗状況
1. 概要
本研究開発項目では、自然に存在する原子を量子ビットとして用いて構成した原子量子コンピュータをネットワーク接続するための量子インターフェースやそれに必要な光子検出技術を開発します。この研究開発テーマの達成により、原子量子コンピュータをはじめ、様々な量子コンピュータの大規模化に向けたネットワーク接続の要素技術を確立します。これによってプロジェクトの目指すネットワーク型量子コンピュータによる量子コンピュータの大規模化の実現、ムーンショット目標6で目指す誤り耐性汎用型量子コンピュータの実現に貢献します。
この達成に向けては、原子と光子の量子もつれを大規模に用意してネットワーク接続することが課題となっており、この点を挑戦的テーマとして取り組んでいます。従来、量子ビット接続は、1対1の接続の場合のみ実証されていました。本研究開発項目ではこれを多対多で実現しようとする発想のもと、原子制御、光回路、光子検出器などの要素技術を多重化する試みを進めています（図1）。
これらの開発した要素技術のうち、他の研究開発項目や他のプロジェクトで利用可能なものは、積極的に連携して、ムーンショット目標6全体の達成に貢献します。
2. これまでの主な成果
- Rb原子アレイの作製と光子検出システムの構築を行い、単一光子検出に成功しました。これに加えて論理量子ビット間のBell状態蒸留方式を提案しました。（図2）
- 多重化ネットワーク接続のための“Optical frequency tweezers”の提案と実証。さらに量子周波数変換の光子ルーティング技術、ノイズ低減技術を開発しました。
- 波長710nm、780nm、850nm帯に対応する超伝導ナノワイア光子検出器（SNSPD）素子を開発し90%を超える検出効率、1カウント/秒を下回る暗計数率を達成しました。1550nm帯では、90%を超える検出効率と1カウント/秒を下回る暗計数率の両立を実現しました。さらに従来の常識を打破する新奇構造をもつワイドストリップ型のSWSPD素子を開発しました（図3）。特許出願14件
- SNSPDを32個搭載し2.3K以下まで冷却可能な冷凍機システムを開発し、32チャンネル SNSPDの動作確認に成功。さらに90%を超える検出効率も達成しました。
チャンネル数は国内最大・世界最大級で、2023年のG7でも展示されました。現在は32ch SNSPDシステムをラックにおさめ、電源やアンプなども搭載してオールインワンで動作するシステムが完成しています（図4）。可搬性が大幅に改善され、2024年度大阪大学に設置されました。
図4 32ch SNSPDシステムラック
前記成果において、（1）は量子プロセッサとして動作する原子量子ビットのアレイを接続し、大規模化するための要素技術および提案です。（2）はネットワーク接続するための光子のルーティング技術のための要素技術、（3）は各量子プロセッサと量子もつれにある光子に対して、Bell測定を行うための高効率かつ低暗計数率の超伝導ナノワイア光子検出器（SNSPD）素子の開発、（4）は多重化された光子を検出するための多重化されたSNSPD素子のシステム開発として研究開発を推進しています。
3. 今後の展開
これまでの研究成果において、原子アレイの量子プロセッサの要素技術の獲得および量子プロトコルの提案、多重化された光子源からの光子をルーティングする技術の動作原理の実証、SNSPDの対応波長の拡大と高性能化、SNSPDの多重化に対応した冷凍機システムを32 ch規模まで実証しました。今後は、これらを統合して、ネットワーク接続による原子量子コンピュータの大規模化を目指します。