高速でリアルタイムな光量子もつれ生成

February, 12, 2025, 東京--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と日本電信電話株式会社（NTT）は世界最速の光量子もつれの生成・観測に成功した。
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有する量子力学特有の現象。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る。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となる。従来の光量子もつれの生成速度はキロヘルツ（kHz、1秒に1000回）～メガヘルツ（MHz、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）オーダーだった。この生成速度は、実用上では量子コンピュータ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のクロック周波数であるGHzよりも遅い量子コンピュータしか実現できなかった。
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、60GHz（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及びリアルタイムな測定を実現した。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、この研究では従来の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をも凌駕するものとなっている。この研究によって、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った。この研究は、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る。

今後の展望
研究では2者間の量子もつれの60GHz帯域リアルタイム測定に成功した。これは従来の量子もつれ測定の1000倍以上の高速化に成功したものである。さらに、この手法は2者間よりさらに大規模な量子もつれにそのまま拡張することができる。例えば、研究グループの光量子計算プロセッサに今回の技術を組み合わせることで、60GHzの光量子計算が実現可能となる。これにより、光量子システムのクロック周波数が現状の古典コンピュータを凌駕するような未来が期待される。さらに、量子もつれは量子計算のみならず様々な量子技術の重要なリソースであり、今回開発された技術は量子通信やセキュリティ、次世代の超高速量子ネットワークの基盤技術としての応用も期待される。
(詳細は、https://www.t.u-tokyo.ac.jp)