高速でリアルタイムな光量子もつれ生成～従来の１０００倍以上の高速量子相関が開拓する新時代～(JST)

ポイント

量子通信、量子計算などといった幅広い量子技術の応用において、量子もつれは最も根本的かつ必要不可欠なリソースであり、その生成速度が実用上の有用性を決める。

光パラメトリック増幅器とそれに適応した位相制御技術によって、従来の１０００倍以上高速な量子もつれの生成に成功し、世界で初めてピコ秒（１０－１２秒）スケールのリアルタイムな量子もつれの生成・観測に成功した。

今回実現した技術によって、他の物理系や従来のコンピューターを凌駕（りょうが）する数十ギガヘルツ（１秒に１０億回）クロックの量子システムが実現可能となり、超高速光量子技術の新時代が切り開かれた。

＜概要＞

東京大学 大学院工学系研究科の川﨑 彬斗 大学院生およびアサバナント・ワリット 助教、古澤 明 教授らの研究チームと日本電信電話株式会社（以下、ＮＴＴ）は、世界最速の光量子もつれの生成・観測に成功しました。
量子もつれとは、２つ以上の量子ビット間の特殊な相関を持つ量子力学特有の現象です。この量子もつれは、量子計算、量子通信、誤り訂正など多岐にわたる量子技術の根源となるリソースとなっています。実用的な量子もつれの評価には、その純度に加えて量子もつれの生成速度（生成レートや帯域ともいう）が重要なパラメーターとなります。従来の光量子もつれの生成速度はキロヘルツ（１秒に１０００回）～メガヘルツ（１秒に１００万回）オーダーであり、時間で換算すると数十マイクロ秒（１０－６秒）から数十ナノ秒（１０－９秒）オーダーでした。この生成速度は、実用上では量子コンピューターのクロック周波数を制限してしまうため、従来の生成速度では現状の古典コンピューターのクロック周波数であるギガヘルツよりも遅い量子コンピューターしか実現できませんでした。
今回の研究では、東京大学とＮＴＴで共同開発した光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）を用いて、６０ギガヘルツ（ピコ秒オーダー）という世界最高速度の光量子もつれの生成およびリアルタイムな測定を実現しました。リアルタイム測定は量子計算や量子通信などリアルタイムな情報処理を伴う量子技術には不可欠な測定であり、本研究では従来の１０００倍以上も高速な光量子もつれ状態のリアルタイム量子測定を実現しました。この生成速度は、他の物理系を用いた量子システムや、従来の古典コンピューターをも凌駕するものとなっています。本研究によって、全ての量子技術の根源である量子もつれが、高速かつ量子情報処理に完全に応用可能な形式で利用可能となりました。本研究は、次世代の超高速光量子技術の基盤技術として、多岐にわたる応用が期待されます。
本研究成果は、２０２５年１月２９日（英国時間）付で、「Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」に掲載されます。

本研究は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） ムーンショット型研究開発事業 ムーンショット目標６「２０５０年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現」（プログラムディレクター：北川 勝浩 大阪大学 量子情報・量子生命研究センター センター長） 研究開発プロジェクト「誤り耐性型大規模汎用光量子コンピュータの研究開発（ＪＰＭＪＭＳ２０６４）」（プロジェクトマネージャー（ＰＭ）：古澤 明 東京大学 大学院工学系研究科 教授）による支援を受けて行われました。

＜プレスリリース資料＞

本文PDF（649KB）

＜論文タイトル＞

“Real-time observation of picosecond-timescale optical quantum entanglement towards ultrafast quantum information processing”

DOI:10.1038/s41566-024-01589-7

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