ユニバーサルな量子計算の実現に向けた非古典的量子状態の生成

量子力学の原理を応用することで、特定の問題を現行の古典コンピューターよりも効率的に解ける可能性が示されており、量子コンピューターとして研究が進められている [1]。古典コンピューターが NAND ゲートの組み合わせで構成できることはよく知られているが、同様に、量子コンピューターにおいても、これを構成するゲート (量子ゲート) の最小単位が存在する。特に、連続量の手法を用いた光量子情報処理においては、ある 5 つの量子ゲートの組み合わせによって、任意の量子計算が可能であることがわかっている [2]。古澤研究室では、これらの量子ゲートのうち 4 つまでが実験的に実現されている [3]。残る 1 つの量子ゲートの構築が本研究の目的である。目的の量子ゲートは 3 次位相ゲートと呼ばれるが、これが実現されれば、量子計算をユニバーサルに行うための量子ゲートがすべて揃うことになる。

3 次位相ゲートは既存の量子テレポーテーション技術に、ある特定の量子状態を組み合わせて実現できることが知られている [4]。ここで必要となる量子状態は、0 から 3 光子数状態の重ね合わせとして表される非古典的な状態であり、これを生成することが 3 次位相ゲート構築のカギである。似たような重ね合わせ状態を生成する実験は過去にも数例存在していたが [5, 6]、高々 2 光子数状態までの重ね合わせまでしか作られておらず、また生成された状態に 50% 程度の大きなロスがあった。ロスの原因として、パルス光スキームを用いていることで測定時に大きくロスを受けていることが考えられた。3 次位相ゲートに用いる量子テレポーテーションには高い測定効率が不可欠であるから、先行研究の系は不適であった。

ロスの改善にあたり、我々はより測定効率の高い連続波光スキームを採用し、2013 年、0 から 3 光子数状態までの任意の重ね合わせを、80% 近い効率で生成することに成功した [7]。この実験手法で生成できる量子状態の 1 つとして 3 次位相ゲートに用いる量子状態の生成実験も行っており、高次の非古典性を持つ量子状態生成の成功が確認されている [8]。現在は、この手法を応用し実際に 3 次位相ゲートを実現する方法の開発に取り組んでいる。

1 非古典的状態生成実験の概念図。Trigger の光の側に置かれた 3 つの APD で同時に光子が検出された時、Signal の光は目的の非古典的量子状態になっている。


2 実験的に生成された、様々な非古典的量子状態の例。これらの状態は 0 から 3 光子数状態までの重ね合わせとなっている。(c) 3 次位相ゲートへ応用が考えられている量子状態。

参考文献

[1] M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge (2004).

[2] A. Furusawa and P. van Loock, Quantum Teleportation and Entanglement, Wiley-VCH, Berlin (2011)

[3] R. Ukai et al., Phys. Rev. Lett. 106, 240504 (2011).

[4] P. Marek et al., Phys. Rev. A 84, 053802 (2011).

[5] A. I. Lvovsky and J. Mlynek, Phys. Rev. Lett. 88, 250401 (2002).

[6] E. Bimbard et al., Nat. Photon. 4, 243 (2010).

[7] M. Yukawa et al., Opt. Express 21, 5529 (2013).

[8] M. Yukawa et al., Phys. Rev. A 88, 053816 (2013).