竹内繁樹 工学研究科教授らの研究グループは、北海道大学、大阪大学、広島大学と共同で、光量子回路により3つの量子ビットに対する「制御スワップ操作」を、外部入力の可能な物として初めて実現しました。本研究成果は、光量子コンピュータの集積化、高効率化や、量子状態を用いたさらに高度なセキュリティー技術の実現につながる成果です。
本研究成果は、2017年3月31日午後6時に英国の科学雑誌「Scientific Reports」に掲載されました。
研究者からのコメント
竹内教授
今回の成果により、従来の2入力ゲートを组み合わせた光量子回路に比べて、光量子回路の効率を大きく高めることが可能です。また、量子指纹认証など、量子状态を用いたさらに高度なセキュリティー技术の実现などが期待されます。
概要
近年、量子力学の基本的な性质を応用し、従来不可能であった计算や通信、计测、センシングなどを実现する「量子技术」が注目されており、たとえば盗聴不可能な通信を実现する量子暗号通信や、既存のコンピュータでは解けない问题を解く量子コンピュータの実现に向けた研究が进められています。光の素粒子である「光子」は、量子状态の保存性が良く、また长距离伝送が可能であることなどから、量子情报の有力な担体として研究が进められています。
これまでに、2つの光子间のゲート操作（2入力2出力ゲート素子）は実现されていますが、现在その効率が限られており、その集积化の上で问题となっていました。それを解决すると期待されるのが、3入力3出力ゲート素子の実现です。特に、制御スワップゲートと呼ばれる素子は、量子误り订正や、量子指纹认証など、様々な量子プロトコルに用いることが可能です。制御スワップゲート素子は、2入力2出力素子を组み合わせることで理论上可能ですが、その场合、成功确率は10万分の1以下となり、実现は事実上不可能でした。
この问题に対し、贵颈耻谤补蝉别办（フューラセック）らは、2008年に光の干渉计を组み合わせた独自の提案で、従来の500倍以上の効率（162分の1）で、制御スワップを実现する方法を理论的に提案しました。しかし、この方法を実现するには、非常に复雑な光干渉の长时间安定化など技术的な困难が多数存在し、これまで実现していませんでした。また最近、オーストラリアのグループにより制御スワップ操作の実现が报告されましたが、これは外部からの光量子ビットの入力が不可能であり、光量子回路をはじめとする様々な応用にそのまま用いることはできませんでした。
図：実験装置の概念図
详しい研究内容について
书誌情报
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Takafumi Ono, Ryo Okamoto, Masato Tanida, Holger F. Hofmann, Shigeki Takeuchi.(2017). Implementation of a quantum controlled-SWAP gate with photonic circuits. Scientific Reports, 7, 45353.
