近日，由NTT、東京大學(xué)、RIKEN（日本理化研究所）組成的研究團(tuán)隊(duì)宣布了他們?cè)诠饬孔佑?jì)算機(jī)研發(fā)關(guān)鍵步驟上的重大進(jìn)展：研制出新型光纖耦合量子光源（壓縮光源），這標(biāo)志著向容錯(cuò)的大規(guī)模通用量子計(jì)算機(jī)的落地邁出了關(guān)鍵一步。

當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)工作在全世界內(nèi)火熱進(jìn)行。在眾多的量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)路線中，光量子技術(shù)路線的優(yōu)勢(shì)正在凸顯。

例如，光量子計(jì)算機(jī)能夠在室溫環(huán)境下運(yùn)行，將有利于縮小量子計(jì)算機(jī)物理空間；時(shí)域多路復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)量子糾纏態(tài)的方式，將輕松地實(shí)現(xiàn)量子比特?cái)?shù)量擴(kuò)展；光量子計(jì)算機(jī)的光譜帶寬特性也將讓高速計(jì)算處理真正成為可能。此外，已經(jīng)在理論上證明了：利用光子宇稱的連續(xù)變量，而不是僅僅利用光子存在或不存在的離散變量，是有可能實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算糾錯(cuò)的。

壓縮光源是構(gòu)建光量子計(jì)算機(jī)的最重要部分之一。壓縮光是一種非經(jīng)典光，具有光子宇稱的連續(xù)變量特性和噪聲小的特點(diǎn)，這些特性可實(shí)現(xiàn)量子糾纏。因此，大規(guī)模通用容錯(cuò)光量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，需要一種具有極低噪聲和即使在高光子數(shù)組件中也能保持光子宇稱連續(xù)性的光纖耦合量子壓縮光源。例如，將噪聲控制在65%以上才有可能生成大規(guī)模光量子計(jì)算所必須的時(shí)域多重量子糾纏（二維簇態(tài)），但生產(chǎn)高質(zhì)量壓縮光的慢進(jìn)度阻礙了相關(guān)設(shè)備的研發(fā)。

現(xiàn)在，NTT團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種可在光通信波長(zhǎng)下工作的新型光纖耦合量子壓縮光源。這種新型光源能夠與現(xiàn)有光纖組件結(jié)合，首次成功地產(chǎn)生了連續(xù)波壓縮光，即使是在封閉的光纖系統(tǒng)中，也能壓縮超過 75%的量子噪聲和超過6THz的邊帶頻率。

這意味著，光量子計(jì)算機(jī)中的關(guān)鍵器件——壓縮光能以兼容光纖的形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保持了光的寬帶特性。利用光纖通信設(shè)備和穩(wěn)定、免維護(hù)的光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)光量子計(jì)算機(jī)正在成為可能。

這項(xiàng)研究的結(jié)果已于近日發(fā)表在美國科學(xué)期刊《Applied Physics Letters》上。這篇論文也被選為“Editor's Pick”論文。其中，日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu) (JST) 登月研究與開發(fā)計(jì)劃支持了部分成果的研究工作。

重點(diǎn)：

·?新型高性能光纖耦合的壓縮光源模塊，將成為構(gòu)建機(jī)架式大型光量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。

·?該光纖耦合量子壓縮光與光通信設(shè)備結(jié)合，首次在超過6 THz的帶寬內(nèi)成功產(chǎn)生了量子噪聲抑制在75%以上的連續(xù)波壓縮光。

·?這一成果使得利用光纖通信設(shè)備和穩(wěn)定、免維護(hù)的光學(xué)系統(tǒng)開發(fā)大規(guī)模光量子計(jì)算機(jī)成為可能，并將極大地推動(dòng)大型容錯(cuò)通用光量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

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大規(guī)模通用光量子計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)

可以看到的是，當(dāng)前通用量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)成果頗豐。例如，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)技術(shù)路線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了集成100個(gè)物理量子比特進(jìn)行量子計(jì)算。

而要真正地實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)通用量子計(jì)算機(jī)，至少需要集成一百萬個(gè)物理量子比特。因此，擴(kuò)展量子比特?cái)?shù)量已成為量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通用性的一大挑戰(zhàn)。目前，超導(dǎo)量子技術(shù)路線以及離子阱技術(shù)路線正在通過元件集成和設(shè)備并行的方式來解決這一問題。

NTT研究團(tuán)隊(duì)采用了一種與傳統(tǒng)完全不同的方法——利用時(shí)域復(fù)用技術(shù)和測(cè)量誘導(dǎo)量子增數(shù)：將連續(xù)飛行的光分成時(shí)間段，把信息放在分離的光脈沖上，在不增加設(shè)備尺寸的情況下，輕松增加時(shí)間軸上的量子比特?cái)?shù)。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)在理論上證明了，利用光子宇稱的連續(xù)變量特性進(jìn)行校驗(yàn)可解決量子糾錯(cuò)。

該團(tuán)隊(duì)通過將低損耗的光纖作為光量子比特的傳播介質(zhì)，并結(jié)合光纖通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了自由且穩(wěn)定地生產(chǎn)大規(guī)模量子糾纏態(tài)。即，僅需要四個(gè)壓縮光源、兩個(gè)不同長(zhǎng)度的光纖（光學(xué)延遲線）和五個(gè)分束器，就可以生成通用光量子計(jì)算機(jī)所必需的大規(guī)模量子糾纏態(tài)。

這是一種不需要大量集成或大量物理設(shè)備，并且在現(xiàn)有設(shè)備規(guī)模上就能實(shí)現(xiàn)通用光量子計(jì)算機(jī)的方法。這種方法還可利用光的高頻進(jìn)行高速計(jì)算，這意味著，該方法不僅可以實(shí)現(xiàn)高速量子計(jì)算，而且保持了高時(shí)鐘頻率，使得光量子計(jì)算機(jī)成為真正意義上的高速信息處理技術(shù)。

目前，該研究團(tuán)隊(duì)已展示了通過使用由大量高精度對(duì)準(zhǔn)鏡子組成的空間光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算機(jī)的各種光量子操作。

這種由大量鏡子組成的空間光學(xué)系統(tǒng)能夠盡可能地減少光損耗、增強(qiáng)相干時(shí)間，但這需要保持高度精準(zhǔn)并且在每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都得重新調(diào)整光路。所以，要實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算機(jī)實(shí)用化，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須盡可能地靠近光波導(dǎo)，例如采用光集成電路或光纖，從而保證良好的穩(wěn)定性和免維護(hù)性運(yùn)行。

還需要強(qiáng)調(diào)的是，在光量子計(jì)算機(jī)中，壓縮光難以產(chǎn)生且易受光損耗而劣化，因此由光纖耦合壓縮光產(chǎn)生的光質(zhì)量較差；同時(shí)在光纖封閉結(jié)構(gòu)中，難以實(shí)現(xiàn)時(shí)域復(fù)用大規(guī)模量子糾纏態(tài)（二維簇態(tài)）所必須的噪聲抑制在65%的壓縮光。

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新型壓縮光的技術(shù)進(jìn)步

NTT團(tuán)隊(duì)通過更新周期性極化鈮酸鋰(PPLN)波導(dǎo)的制造方法實(shí)現(xiàn)了光的低損耗，并利用NTT的光通信設(shè)備組裝成低損耗光纖耦合量子光源模塊。在連接光纖組件時(shí)，該團(tuán)隊(duì)成功測(cè)量出了壓縮光，其中量子噪聲壓縮了75%以上，帶寬壓縮超過了6THz。

這意味著即使在完全封閉的光纖系統(tǒng)中，也可以生成和測(cè)量光量子計(jì)算所需的量子態(tài)。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)的新方法分為兩部分：產(chǎn)生壓縮光、將光量子信息轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信息。該方法將作為光源開發(fā)的光參量放大器用于相反方向，從而支持光子校驗(yàn)糾錯(cuò)。與傳統(tǒng)的光學(xué)平衡零差檢測(cè)技術(shù)不同，這種測(cè)量方法通過將量子信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為經(jīng)典光信號(hào)，無需將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮?，從而?shí)現(xiàn)了快速測(cè)量。該技術(shù)未來可用于通用光量子計(jì)算機(jī)研發(fā)中，并將為實(shí)現(xiàn)以THz時(shí)鐘頻率運(yùn)行的通用光量子計(jì)算機(jī)做出巨大貢獻(xiàn)。

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參考：

W. Asavanant, et al., “Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state,” Science 。

編譯：李每

編輯：慕一