大規模中性原子量子コンピューター向けの多重量子光インターフェースを実現

大阪大学 量子情報・量子生命研究センター（QIQB）／同 大学院基礎工学研究科の山本 俊 副センター長／教授ら、情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）） 未来ICT研究所 神戸フロンティア研究センター 超伝導ICT研究室の三木 茂人 室長ら、浜松ホトニクス 電子管事業部の下井 英樹 グループ長らの研究グループは、複数の量子コンピューターを多重光接続する手法として集積光導波路アレイを用い、世界記録となる10多重量子光インターフェースの実現に成功しました。

中性原子量子コンピューターでは100個×100個の合計1万個程度の原子を整列させ原子アレイとし、その一つ一つの原子を量子ビットとして利用して量子計算ができると考えられています。大規模分散量子計算を実行するためには、この量子コンピューターを複数並べ、量子もつれにある光子を配送して接続するネットワーク型量子コンピューターを構築し、大量の量子ビットを多重接続するための多重量子光インターフェースが必要となっていました。

これまでの多重化手法は、光ファイバーを並列化したもので、十分な集積度がなく、数多重程度でしか実現できていませんでした。また、原子間隔も広く、通常の中性原子量子コンピューターに対応できていませんでした。

今回、大阪大学の研究グループは、独自に開発した「集積光導波路アレイの光学系」を用い、光子を並列に検出することに成功しました。対象としたのは、中性原子量子コンピューターで通常用いられる「数マイクロメートル間隔に整列した原子」です。原子一つ一つからの光子を10個並列に集積光導波路アレイへ結合し、光ファイバー接続した後に、光子を並列に検出するという一連のプロセスを実証しました。将来的には約100個の多重化が可能な技術です。光子の検出には「多チャンネル超伝導ナノストリップ光子検出器」を用いました。これは、NICTの研究グループが開発した「高性能超伝導ナノストリップ光子検出器」の技術を基盤とし、浜松ホトニクスの研究グループが本研究のために新たに開発したシステムです。これにより、光子によって接続され、大規模化が可能な誤り耐性型汎用量子コンピューターへ一歩近づきました。

本研究成果は、2026年8月31日（日本時間）付で、米国科学誌「Optica」（オンライン）に掲載されました。