面向容错大规模通用光量子计算机的模块化量子光源

光子盒研究院出品

划重点：

◆开发了一种光纤耦合高性能压缩光源模块，将是实现机架式光量子计算机的关键器件。

◆利用开发的光纤耦合量子光源模块和光通信器件，首次在光纤封闭系统中成功产生了带宽大于6 THz的连续波压缩光，其量子噪声抑制率超过75%。

◆为在使用光通信器件的稳定和免维护的光学系统中开发实用规模的光量子计算机提供了可能，并将极大地推动容错大规模通用光量子计算机的发展。

日本电报电话公司(NTT)、东京大学、日本理化学研究所(RIEKN)合作开发了一种光纤耦合量子光源(压缩光源)。该团队表示，这是实现容错大规模通用光量子计算机的关键技术。

研究成果于2021年12月22日发表在美国科学期刊《应用物理快报》(Applied Physics Letters)上[1]，并被选为Editor's Pick。

全世界都在积极进行实现通用量子计算机的研发。最近报道了利用超导电路实现约100个物理量子比特的量子计算。然而，要实现容错通用量子计算机，大约需要一百万个物理量子比特。因此，增加量子比特的数量已成为量子计算的主要挑战。为了通过超导电路或离子阱实现一百万个量子比特，人们已经采取了通过集成其组件和并行化设备来增加量子比特数量的方法。另一方面，光量子计算机有望利用时域多路复用技术和测量诱导的量子操作实现绝对大规模的通用量子计算，这是一种与传统方法完全不同的方法。

使用光子的量子计算机有很多优点。例如，它不需要其他方法所需的低温和真空设备，从而使其结构紧凑。通过创建时域多路量子纠缠态，量子比特的数量可以很容易地增加，而无需电路的微集成或设备的并行化。由于光的宽带性质，高速计算处理是可能的。从理论上讲，通过使用利用光子奇偶性的连续光变量，而不是使用利用光子存在或不存在的离散变量，量子纠错是可能的。该方法与低损耗光纤和高功能光学器件等光学通信技术具有高度的兼容性，在构建通用大规模容错光量子计算机方面取得了巨大进展。

要实现光量子计算机，最重要的部件之一是产生压缩光的量子光源，这是光量子计算机中量子性质的来源，特别是非常需要光纤耦合的量子光源。压缩光是一种非经典光，具有偶数个光子和压缩量子噪声，用于产生量子纠缠。此外，压缩光在量子纠错中起着极其重要的作用，因为量子纠错是提供利用光子数的奇偶性来实现的。

为了实现大规模通用容错光量子计算机，我们需要一种光纤耦合压缩光源，具有高度压缩的量子噪声，即使在高光子数组件中也能保持光子数奇偶性。例如，需要超过65%的压缩水平才能生成可用于大规模量子计算的时域多重量子纠缠(二维簇态)。然而，由于难以产生高质量的压缩光，这种设备一直未被开发出来。

在这项研究中，研究团队开发了一种新的光纤耦合量子光源，可在光通信波长下工作。通过将其与光纤组件相结合，首次在光纤封闭系统中成功地产生了连续波压缩光，压缩量子噪声超过75%，边带频率超过6 THz。

这意味着光量子计算机中的关键器件已经以与光纤兼容的形式实现，同时保持了光的宽带特性。这将有助于在使用光纤和光通信器件的稳定和免维护系统中开发光量子计算机。这将极大地推动机架式大规模光量子计算机的发展。

在时域多路复用技术中，研究人员将连续飞行的光分成多个时间段，并将信息放置在分离的光脉冲上。通过这种方法，可以在不增加设备尺寸的情况下很容易地增加时间轴上的量子比特数量(见图1)。此外，通过使用光子数的奇偶性和光的连续变量，量子纠错在理论上被证明是可能的。

图1 使用时域多路复用技术生成大规模量子纠缠状态

使用低损耗光纤作为飞行光量子比特的传播介质，并结合光通信器件，可以自由稳定地产生大规模量子纠缠态。具体而言，只需4个压缩光源、2根不同长度的光纤(延迟线)和5个分束器(见图2)，就可以产生通用量子计算所必需的大规模二维簇态。这种方法并不需要集成或大型设备，它使得在机架的实用设备规模上实现通用量子计算成为可能，而使用超导电路或俘获离子的方法需要组件集成或设备并行化。此外，这种方法可以利用光的高频率进行高速计算。这意味着不仅可以实现高速量子算法，而且它们的时钟频率也可以很高，使光量子计算机成为最终的高速信息处理技术。

图2 实现通用量子计算的生成大规模光量子纠缠态的基本组件。它由四个量子光源、两条不同长度的光纤延迟线和五个分束器组成。

到目前为止，研究人员已经演示了各种光量子操作，通过使用由许多高精度对准的反射镜组成的空间光学系统来实现这种光量子计算机。这是为了尽量减少光的损耗，尽可能增强光之间的干涉。然而，如果反射镜稍微错位，就无法获得所需的特性，并且每次实验都必须重新调整光路。由于这些原因，要实现实用光量子计算机，必须使用靠近光波导的光学系统，例如光集成电路或光纤，具有良好的运行稳定性和免维护性。特别是，光量子计算机中最基本的元素是压缩光。这种非经典光具有波的振幅或相位的压缩量子噪声，这是一对非交换的物理量。由于这种光难以产生并且容易因为光损耗而劣化，所以来自光纤耦合的压缩光源的光往往很差。特别是，产生时域复用大规模量子纠缠态(二维团簇态)所必需的65%以上的压缩光还没有在光纤封闭结构中实现。

如图3所示，研究人员开发了一种低损耗光纤耦合量子光源模块(光学参量放大模块)。通过更新周期性极化铌酸锂(PPLN)波导(该模块的主要部分)的制造方法实现了低损耗。利用NTT公司开发的光通信器件组装技术，实现了低损耗光纤耦合模块。

图3 新开发的量子光源(光学参量放大器)

在连接光纤组件时，研究人员成功地测量了压缩光，其中量子噪声被压缩到75%以上，带宽超过6 THz(见图4)。这意味着光量子计算机所需的量子态甚至可以在光纤中的完全封闭系统中生成和测量。因此，他们开发的光纤耦合量子光源将使在实用规模上实现稳定、免维护的光量子计算机成为可能，这将大大推动未来的发展。

图4 量子噪声水平的测量结果。压缩噪声水平比散粒噪声水平降噪75%以上

总之，研究人员采用了一种新的方法，其中第一个模块生成压缩光，第二个模块将光量子信息转换为经典光信息。光学参量放大器用于实现保持光子数奇偶性的光学放大。与传统的平衡零差探测技术不同，这种测量方法可以将量子信号放大并转换成经典光信号，而不需要将其转换成电子。因此，它能够实现极其快速的测量。该技术可以在未来用于实现全光量子计算机，并将极大地有助于实现以THz时钟频率运行、速度极快的全光量子计算机。

下一步，研究人员表示，将结合他们迄今为止开发的各种光量子操作，开发一种由光纤组件组成的光量子计算机。此外，该团队将提高量子光源的量子噪声压缩能力，以实现容错的大规模通用光量子计算机。

NTT公司表示：“到目前为止，人们认为集成电路对于实现大规模量子计算机至关重要。然而，这一成功表明集成电路不是必需的，通过使用我们开发的模块和光纤组件，我们可以实现大规模的光量子计算机。有了这一成果，大规模量子计算机的实现已经成为可能，可以说是一项颠覆性的技术诞生了。”

参考链接：

[1]https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0063118

[2]https://group.ntt/en/newsrelease/2021/12/22/211222a.html

—End—

相关阅读：

光子盒将为中国境内的研究机构和企业提供一个免费的垂直招聘信息发布渠道，欢迎有需求的机构或企业直接联系光子盒。（微信：Hordcore）

你可能会错过：