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2. 光子ネットワーク型技術
２０２２年度までの進捗状況
１．概要
光子量子ビットは他の量子系と比較して格段に高いコヒーレンスを持ち、室温においても全く量子性を失わず、光ファイバーによって長距離伝送できるという優れた特長を持っています。また、線形光学素子によって任意の１量子ビット操作を高いフィデリティで簡単に実現できます。さらに、時間多重により、光子源の数と比較して多くの量子ビットを使うことができます。
光子量子ビットによる量子計算の世界的な研究・開発動向においては、パラメトリック下方変換と光子検出に基づいた方式が主流となっています。しかしこの方式は光子量子ビット源・光子クラスター状態源（図１）等の必須の要素の動作が確率的であるため、有意な規模の実装には膨大なリソースが必要であるという大きな課題を抱えています。これらの要素を決定論的に動作する手法で実現できれば、光子量子ビットによる量子計算の大幅な効率化が可能となります。
上述の要素を決定論的に動作させるには光と原子の強い相互作用が必要ですが、これは共振器QED系（図２）によって実現できることが理論的に提案されており、近年になって部分的な原理実証実験も報告されています。
しかし、共振器QED系に基づいたこれらの要素技術はいまだに光量子コンピュータの実装に実際に導入されてはいません。これは、従来の共振器QEDの実験が自由空間バルク共振器を用いたものであり、ファイバー光学との整合性が悪い上に、極度に複雑で精密な調整・制御が必要なため、損失を低く抑えつつ多数の共振器QED系を連結してそれらを同時に使用することが極めて困難なためです。
本研究開発テーマでは、NISQ規模の光子量子コンピュータの実現を目指し、ナノファイバー共振器QED技術に基づく光子ネットワーク技術を開発します。
２．２０２２年度までの成果
光子ネットワーク技術に適したナノファイバー共振器QED系を立ち上げました（図３）。
また、セシウム原子D2線のΛ型３準位構造を利用し、真空誘導ラマン断熱過程(vacuum-stimulated Raman adiabatic passage; vSTIRAP)による単一光子生成技術を開発しました。さらに、量子中継の標準的技術であるDuan-Lukin-Cirac-Zollerスキームの要素技術を開発しました。
３．今後の展開
ナノファイバー共振器QED技術に基づく光子ネットワーク技術、特に光子量子ビット生成技術および光子クラスター状態生成技術の研究開発を推進していきます。