NTT发布通用光量子计算机关键部件：一种新型光源

近日，由NTT、东京大学、RIKEN（日本理化研究所）组成的研究团队宣布了他们在光量子计算机研发关键步骤上的重大进展：研制出新型光纤耦合量子光源（压缩光源），这标志着向容错的大规模通用量子计算机的落地迈出了关键一步。

当前量子计算机的研发工作在全世界内火热进行。在众多的量子计算机设计路线中，光量子技术路线的优势正在凸显。

例如，光量子计算机能够在室温环境下运行，将有利于缩小量子计算机物理空间；时域多路复用可以实现量子纠缠态的方式，将轻松地实现量子比特数量扩展；光量子计算机的光谱带宽特性也将让高速计算处理真正成为可能。此外，已经在理论上证明了：利用光子宇称的连续变量，而不是仅仅利用光子存在或不存在的离散变量，是有可能实现量子计算纠错的。

压缩光源是构建光量子计算机的最重要部分之一。压缩光是一种非经典光，具有光子宇称的连续变量特性和噪声小的特点，这些特性可实现量子纠缠。因此，大规模通用容错光量子计算机的实现，需要一种具有极低噪声和即使在高光子数组件中也能保持光子宇称连续性的光纤耦合量子压缩光源。例如，将噪声控制在65%以上才有可能生成大规模光量子计算所必须的时域多重量子纠缠（二维簇态），但生产高质量压缩光的慢进度阻碍了相关设备的研发。

现在，NTT团队开发出了一种可在光通信波长下工作的新型光纤耦合量子压缩光源。这种新型光源能够与现有光纤组件结合，首次成功地产生了连续波压缩光，即使是在封闭的光纤系统中，也能压缩超过 75%的量子噪声和超过6THz的边带频率。

这意味着，光量子计算机中的关键器件——压缩光能以兼容光纤的形式实现，同时保持了光的宽带特性。利用光纤通信设备和稳定、免维护的光学系统开发光量子计算机正在成为可能。

这项研究的结果已于近日发表在美国科学期刊《Applied Physics Letters》上。这篇论文也被选为“Editor's Pick”论文。其中，日本科学技术振兴机构 (JST) 登月研究与开发计划支持了部分成果的研究工作。

重点：

· 新型高性能光纤耦合的压缩光源模块，将成为构建机架式大型光量子计算机的关键设备。

· 该光纤耦合量子压缩光与光通信设备结合，首次在超过6 THz的带宽内成功产生了量子噪声抑制在75%以上的连续波压缩光。

· 这一成果使得利用光纤通信设备和稳定、免维护的光学系统开发大规模光量子计算机成为可能，并将极大地推动大型容错通用光量子计算机的发展。

 

大规模通用光量子计算机的挑战

可以看到的是，当前通用量子计算机的研发成果颇丰。例如，超导量子计算机技术路线已经实现了集成100个物理量子比特进行量子计算。

而要真正地实现容错通用量子计算机，至少需要集成一百万个物理量子比特。因此，扩展量子比特数量已成为量子计算机实现通用性的一大挑战。目前，超导量子技术路线以及离子阱技术路线正在通过元件集成和设备并行的方式来解决这一问题。

NTT研究团队采用了一种与传统完全不同的方法——利用时域复用技术和测量诱导量子增数：将连续飞行的光分成时间段，把信息放在分离的光脉冲上，在不增加设备尺寸的情况下，轻松增加时间轴上的量子比特数。同时，该团队在理论上证明了，利用光子宇称的连续变量特性进行校验可解决量子纠错。

该团队通过将低损耗的光纤作为光量子比特的传播介质，并结合光纤通信设备，实现了自由且稳定地生产大规模量子纠缠态。即，仅需要四个压缩光源、两个不同长度的光纤（光学延迟线）和五个分束器，就可以生成通用光量子计算机所必需的大规模量子纠缠态。

这是一种不需要大量集成或大量物理设备，并且在现有设备规模上就能实现通用光量子计算机的方法。这种方法还可利用光的高频进行高速计算，这意味着，该方法不仅可以实现高速量子计算，而且保持了高时钟频率，使得光量子计算机成为真正意义上的高速信息处理技术。

目前，该研究团队已展示了通过使用由大量高精度对准镜子组成的空间光学系统来实现光量子计算机的各种光量子操作。

这种由大量镜子组成的空间光学系统能够尽可能地减少光损耗、增强相干时间，但这需要保持高度精准并且在每次实验时都得重新调整光路。所以，要实现光量子计算机实用化，光学系统设计必须尽可能地靠近光波导，例如采用光集成电路或光纤，从而保证良好的稳定性和免维护性运行。

还需要强调的是，在光量子计算机中，压缩光难以产生且易受光损耗而劣化，因此由光纤耦合压缩光产生的光质量较差；同时在光纤封闭结构中，难以实现时域复用大规模量子纠缠态（二维簇态）所必须的噪声抑制在65%的压缩光。

 

新型压缩光的技术进步

NTT团队通过更新周期性极化铌酸锂(PPLN)波导的制造方法实现了光的低损耗，并利用NTT的光通信设备组装成低损耗光纤耦合量子光源模块。在连接光纤组件时，该团队成功测量出了压缩光，其中量子噪声压缩了75%以上，带宽压缩超过了6THz。

这意味着即使在完全封闭的光纤系统中，也可以生成和测量光量子计算所需的量子态。

在这个实验中，该团队的新方法分为两部分：产生压缩光、将光量子信息转换为经典光信息。该方法将作为光源开发的光参量放大器用于相反方向，从而支持光子校验纠错。与传统的光学平衡零差检测技术不同，这种测量方法通过将量子信号放大并转换为经典光信号，无需将其转变为电子，从而实现了快速测量。该技术未来可用于通用光量子计算机研发中，并将为实现以THz时钟频率运行的通用光量子计算机做出巨大贡献。

 

参考：

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

编译：李每

编辑：慕一