国立大学法人東京大学大学院工学系研究科の川﨑彬斗大学院生及びアサバナントワリット助教、古澤明教授らの研究チーム、マサチューセッツ大学のラジュヴィーネハラ助教授、日本電信電話株式会社（以下、NTT）、国立研究開発法人情報通信研究機構（以下、NICT（エヌアイシーティー））、国立研究開発法人理化学研究所は、シュレディンガーの猫状態と呼ばれる強い量子性（非古典性）を有する光量子状態の生成レートを、従来手法より1000倍程度高速化することに成功しました。

誤り耐性型光量子コンピュータを実現するためには、誤りを検知し訂正するための論理量子ビットが必要不可欠です。直近では、光パルスを用いた論理量子ビット生成の実証実験に成功し（関連情報1参照）、誤り耐性型光量子コンピュータの実現への道筋が示されました。しかしながら、実証実験レベルから実用レベルへ移行するためには、その論理量子ビットの生成確率を上げる必要があります。例えば、現在広く用いられている古典コンピュータのクロックレートはギガヘルツ（GHz、1秒に10億回）の水準に達する一方で、高い非古典性を有する光量子状態の生成手法は基本的に確率的であり、その生成レートはキロヘルツ（kHz、1秒に1000回）程度に留まっていました（図1A）。

本研究は従来の状態生成・測定のための量子光源・ホモダイン測定器（HD）の代わりに、NTTが主体となり開発した光パラメトリック増幅器（OPA）及び東京大学とNICTが共同開発した超伝導光子検出器（図2）を用いることで、光源及び測定の周波数帯域を大幅に向上させました。これによりシュレディンガーの猫状態をメガヘルツ（MHz、1秒に100万回）の生成レートで実現しました（図1B）。この方法をさらに発展させればギガヘルツの生成レートの実現も見込まれ、実用レベルの生成レートを有した論理量子ビット生成の実現が期待されます。

量子コンピュータの実用化に向けては、乗り越えるべきさまざまな課題が存在します。どのような物理系でも大きな課題となっているのは、計算スケールの大規模化（スケーラビリティ）と誤り耐性の実現です。スケーラビリティの実現は、研究開発段階の小規模なシステム（～数百量子ビット）をいかにして現実問題に必要な大規模システム（数百万量子ビット～）に拡張できるかという課題に言い換えることができます。特に外乱に弱く複雑な量子システムでは、小規模から大規模な量子計算のシステムへの発展の手法は明らかではなく、多くの物理系において実用量子コンピュータ実現のボトルネックとなっていました。これに関して東京大学古澤研究室の研究グループは、2019年にスケーラブルな光量子計算プラットフォームを実現し（関連情報2参照）、他の物理系と一線を画す強みを有しています。

誤り耐性の実現については、現実のシステムでは必ずノイズやエラーが存在するため、エラーが生じうる環境下でも量子情報処理を正しく実行する仕組みが必要となります。その1つの方法は、誤りを検知し訂正できる「論理量子ビット」による量子情報のエンコードです。これについても本研究グループでは、GKP量子ビットと呼ばれる最有力な論理量子ビットの生成に世界で初めて成功し、2024年にプレスリリースを行っています（関連情報1参照）。しかしながら、このGKP量子ビットの生成手法ではシュレディンガーの猫状態と呼ばれる非古典性が強い量子状態を、複数用いる必要があります。従来の光学系ではシュレディンガーの猫状態の生成レートがkHzオーダーに留まっているため、この状態を複数用いるGKP量子ビットの生成レートはさらに低くなってしまいます。現状では、この生成レートが量子計算速度を制限しており、この解決なくしてGKP量子ビットによる誤り耐性型光量子コンピュータの実用化は困難です。

この生成レートの制限は2つの原因に由来します。1つは量子光源であるスクイーズド光源の周波数帯域です。確率的な量子状態の生成レートは「試行回数」と「成功確率」の積によって決定されます。例えば、試行回数が100MHzで成功確率が0.1%の場合、おおよそ100kHzの生成レートとなります。「成功確率」は量子状態の種類や生成手法によってほとんど決定されるため、実験的な工夫によってはあまり変動しません。したがって、「試行回数」を向上させることが重要となりますが、単位時間当たりの「試行回数」を制限するのが、光源となるスクイーズド光源の帯域となっています。また2つ目に、光源に加えて量子測定も制約を与えます。スクイーズド光源の帯域は生成レートだけでなく、生成される量子状態の波束の形状も決定します。この波束に定義された量子状態を正しく観測するためには、それよりも十分広い周波数帯域を観測可能なホモダイン測定器が必要となります。従来の量子光学の実験での各要素の典型値としては、スクイーズド光源の帯域は高々MHzオーダーで制限されており、またホモダイン測定器の帯域は高い量子効率の確保のため100MHz程度に制限されてきました。

本研究では、OPAをスクイーズド光源として、数MHzのスクイーズド光源の帯域を6テラヘルツ（THz、約100万倍）に拡張しました。さらに、ホモダイン測定器の前にOPAを量子的な位相敏感増幅器として用いたことで、測定系を100MHzから70GHzに高速化（700倍）し、高速な光量子状態の生成を実現しました。このOPAを補助的に用いた高速ホモダイン測定技術は、東京大学とNTTの研究グループが実験的に確立した新技術であり、本研究ではこれを初めて非古典的な量子状態生成へと応用しました。

図3に、生成したシュレディンガーの猫状態のWigner関数及び波束形状を示します。この状態の生成レートは約1MHzに達しており、従来のシュレディンガーの猫状態生成と比べて3桁程度生成レートが改善されています。

現状の系ではホモダイン測定系の帯域が70GHzになっていますが、光子検出器の性能が量子状態の帯域を1GHzへとさらに制限しています。もしもホモダイン測定器の帯域全体を使うことができれば、さらに70倍の高速化が見込まれます。従来の非古典的な量子状態生成の実験では、光子検出器が最も高速かつ広帯域な素子として動作していました。一方で、今回の光源及び新規の高速な測定手法の確立によって、光子検出器の性能による帯域の制限についても、実験的な観測が可能となりました。これにより得られた新たな知見は、光子検出器のさらなる改良につながることが期待されます。

今回の高速な光量子状態の生成手法と2024年のGKP量子ビット生成のプレスリリース（関連情報1）の手法を組み合わせることによって、現実的な生成レートを持つ論理量子ビットの生成が可能となります。また、従来は実証実験レベルでも生成が困難であった複雑かつ有用な量子状態の生成も現実的となり、光量子コンピュータの開発が飛躍的に加速することが期待されます。