東大、万能動作の光量子プロセッサを開発：「究極の大規模光量子コンピュータ」の心臓部

東京大学は、独自の光量子プロセッサを開発した。このプロセッサは、回路構成を変更しなくても、大規模な計算を最小規模の光回路で実行できることから、「究極の大規模光量子コンピュータ」の心臓部になるという。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

独自の計算回路で、計算の種類や繰り返し回数の変更を可能に

　東京大学大学院工学系研究科の武田俊太郎准教授と榎本雄太郎助教らによる研究チームは2021年11月、独自の光量子プロセッサを開発したと発表した。このプロセッサは、回路構成を変更しなくても、大規模な計算を最小規模の光回路で実行できることから、「究極の大規模光量子コンピュータ」の心臓部になるという。

　光を用いた量子コンピュータは、常温・大気中で動作し、量子通信との相性が良く、高速処理が可能なことから、近年注目を集めている。こうした中で武田氏らは、2017年9月に「究極の大規模光量子コンピュータ」方式を考案した。

　この方式は、多数の光パルスを時間的に一列に並べ、これらが1個の万能な計算回路（光量子プロセッサ）を何度もループする構造である。この回路は、計算の種類を切り替えながら繰り返し計算できるため、大規模な計算でも最小規模の回路で実行できるという。

光量子コンピュータ方式の比較［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　一般的に、光量子コンピュータの計算回路は、「2つの光パルス間における量子もつれの合成」「片方の光パルスの測定」「もう片方の光パルスへの操作」という一連の手順により、加減乗除のような計算を1回行う。武田氏らはこれまで、光量子プロセッサ回路の一部を開発し、「量子もつれ光パルスの合成」まで検証していた。

量子テレポーテーションを用いた従来の計算回路の仕組み 出所：東京大学

　そして今回、回路のさまざまな構成要素（ミラーの透過率や光スイッチのオン／オフなど）をナノ秒の精度で時間同期しながら切り替える仕組みを導入した。これにより、「計算の種類の切り替えが可能」で「何ステップも繰り返し計算可能」な独自の計算回路（光量子プロセッサ）を実現した。

量子テレポーテーションを用いた今回の計算回路（光量子プロセッサ）の仕組み［クリックで拡大］ 出所：東京大学

光量子プロセッサ回路の開発状況 出所：東京大学

　開発した光量子プロセッサは、量子コンピュータに必要とされる5種類の計算のうち、4種類を同じ回路構成で実行できることを、実験により確認した。もう1種類の計算も特殊な補助光パルスを入力すれば実行できることが理論的に分かった。実験では一連の手順を繰り返すと、最大3ステップの計算まで行えることを実証した。