特開 2024-40836 光量子コンピュータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024040836

(43)【公開日】2024-03-26

(54)【発明の名称】光量子コンピュータ

(51)【国際特許分類】

   G06E 3/00 20060101AFI20240318BHJP

   G02F 1/39 20060101ALI20240318BHJP

   G02F 3/00 20060101ALI20240318BHJP

   G06F 7/38 20060101ALI20240318BHJP

   G06N 10/40 20220101ALI20240318BHJP

【ＦＩ】

G06E3/00

G02F1/39

G02F3/00 502

G06F7/38 510

G06N10/40

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022145455

(22)【出願日】2022-09-13

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 掲載年月日：令和４年５月２７日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ａｂｓ／２２０５．１４０６１ 掲載年月日：令和３年１２月２２日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｇｒｏｕｐ．ｎｔｔ／ｊｐ／ｎｅｗｓｒｅｌｅａｓｅ／２０２１／１２／２２／２１１２２２ａ．ｈｔｍｌ 掲載年月日：令和３年１２月２２日 掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ａｉｐ．ｓｃｉｔａｔｉｏｎ．ｏｒｇ／ｄｏｉ／１０．１０６３／５．００６３１１８

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構 ムーンショット型研究開発事業「誤り耐性型大規模汎用光量子コンピューターの研究開発」委託事業、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】503359821

【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所

(71)【出願人】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】梅木 毅伺

(72)【発明者】

【氏名】柏崎 貴大

(72)【発明者】

【氏名】井上 飛鳥

(72)【発明者】

【氏名】古澤 明

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 護

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA06

2K102AA08

2K102AA09

2K102AA21

2K102AA37

2K102BA13

2K102BA18

2K102BA19

2K102BA31

2K102BA40

2K102BB01

2K102BB02

2K102BB04

2K102BB10

2K102BC01

2K102BD03

2K102DA04

2K102DA05

2K102DA10

2K102DA20

2K102DB03

2K102DC07

2K102DC08

2K102DD05

2K102EB06

2K102EB16

2K102EB20

2K102EB22

2K102EB29

2K102EB30

(57)【要約】

【課題】光量子コンピュータの最終的なクロック周波数を制限するのは、スクイーズド光の帯域である。しかしながら、プロセッサの電気回路を含む部分の帯域が十ＧＨｚに制限されており、広帯域なスクイーズド光の能力を十分に活かしていなかった。
【解決手段】本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光のスペクトルを光周波数の帯域に分け、対称な位置にある帯域の組を、独立した光量子コンピュータの複数のプロセッサとして扱う。各プロセッサの帯域は、電気回路であるホモダイン検出器の帯域に適合させる。本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光の持っている広大な帯域内を分割して使用し、並列計算を行うことで実効的なクロック周波数を上げる。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

周波数ｆ_Cの連続波光から、１つ以上のスクイーズド光を生成するスクイーズド光源、および、
光合分波器および光遅延器を含み、前記スクイーズド光源からの前記１つ以上のスクイーズド光を干渉させて、１以上の干渉光を生成する光学遅延干渉系
を有する量子もつれ状態生成部と、
前記１以上の干渉光の内の１つの干渉光から、前記周波数ｆ_Cを中心周波数として、上下に対称に離れ、帯域幅Δｆ_HDを有する帯域のｎ個の組を抽出する周波数フィルタ、および、
検出器を含み、ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対する前記検出器にローカル光が供給される、ホモダイン検出ブロック
を有し、干渉出力を測定する量子操作部と
を備えた光量子コンピュータ。

【請求項2】

前記量子操作部は、
前記検出器の前段側に前記１つの干渉光を位相感応光増幅する光パラメトリック増幅器をさらに含む、請求項１に記載の光量子コンピュータ。

【請求項3】

前記量子操作部は、
前記ｎ個の帯域の組に対応したローカル光を生成し、前記連続波光に基づいて、前記ホモダイン検出ブロックへ、周波数間隔ｆ_Spacingのローカル光を供給する光周波数コム光源をさらに含む、請求項１に記載の光量子コンピュータ。

【請求項4】

前記検出器は、
前記ローカル光の位相を調整する位相調整器、および、
前記１つの干渉光および位相調整された前記ローカル光が入力される差動検出器を含む請求項３に記載の光量子コンピュータ。

【請求項5】

前記光学遅延干渉系からはｍ個の干渉光が出力され、
ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対応し、前記ｍ個の干渉光に関連付けられた検出器に、同一の周波数のローカル光が供給される、請求項３に記載の光量子コンピュータ。

【請求項6】

前記光学遅延干渉系は、少なくとも２つのスクイーズド光入力部、異なる遅延時間を有する少なくとも２つの光学遅延線、および、少なくとも２つの前記干渉出力を含み、
少なくとも２つの干渉出力が前記量子操作部へ入力される、請求項１に記載の光量子コンピュータ。

【請求項7】

前記スクイーズド光源は、
前記連続波光を生成する連続波光源、
前記連続波光から第２高調波光を生成する第２高調波光生成器、および、
前記第２高調波光から前記スクイーズド光を生成する光パラメトリック下方変換器を含む、請求項１に記載の光量子コンピュータ。

【請求項8】

前記量子もつれ状態生成部は、時間領域多重された２次元クラスター状態を生成し、
前記量子操作部は、前記２次元クラスター状態における１つの量子状態を前記検出器によって測定することで、残りの量子状態に操作を加える測定励起型量子操作を実施する、請求項１乃至７いずれかに記載の光量子コンピュータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光量子コンピュータに関する。

【背景技術】

【0002】

量子コンピュータは、量子力学特有の性質である量子エンタングルメントや量子重ね合わせ状態を利用し、従来のコンピュータの性能を凌駕するとして期待されている。量子コンピュータの実現方法としては、様々な物理系が考えられている。その中で、光量子コンピュータは、現実的な誤り耐性型万能量子コンピュータを実現する有力候補として着目されている。光量子コンピュータは、光電場の直交位相振幅に量子情報をエンコードして計算を行う連続量光量子情報処理の手法を用いる。光量子コンピュータでは、使用する光のキャリア周波数が２００ＴＨｚ程度と高いため、装置の大部分を室温大気圧の環境下に設置することができる。コンピュータのクロック周波数の面でも有利である。さらに、波長１５５０ｎｍ付近の光を使うことで、光ファイバーや光変調器などの成熟した光通信技術をそのまま転用できる。

【0003】

後述するが、光量子コンピュータのプロセッサ部分を実現するのが、時間領域多重クラスター状態である。時間領域多重クラスター状態は、スクイーズド光と呼ばれる量子相関を持たせた光と、光学遅延を持つ非対称な干渉系、およびホモダイン検出器によって実現される。ホモダイン検出器における測定位相を適切に選択することによって、様々な量子計算が実現できることが知られている（非特許文献１）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】W. Asavanant et al., Phys. Rev. Applied 16, 034005 (2021年)

【非特許文献2】M. V. Larsen et al., Nat. Phys. 17, 1018 (2021年)

【非特許文献3】J. F. Tasker et al., Nat. Photon. 15, 11 (2021年)

【非特許文献4】A. Parriax et al., Adv. In Opt. and Photon. 12, 1 (2020年)

【非特許文献5】"Universal quantum computation with temporal-mode bilayer square lattices", R. N. Alexander et al., Phys. Rev. A 97, 032302 (2018年)

【非特許文献6】"Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state", W. Asavanant et al., Science 366, 373-376, (2019年)https://www.science.org/doi/10.1126/science.aay2645

【非特許文献7】"Deterministic generation of a two-dimensional cluster state", M. V. Larsen et al., Science 366, 369-372 (2019年)

【非特許文献8】"Flexible quantum circuits using scalable continuous-variable cluster states", R. N. Alexander et al. Phys. Rev. A 93, 062326 (2016年)

【非特許文献9】"Architecture and noise analysis of continuous-variable quantum gates using two-dimensional cluster states", M. V. Larsen et al., Phys. Rev. A 102, 042608 (2020年)

【非特許文献10】"Phase sensitive degenerate parametric amplification using directly-bonded PPLN ridge waveguides", T. Umeki et al., Optics Express Vol. 19, Issue 7, pp. 6326-6332 (2011年)

【非特許文献11】"Universal Quantum Computing with Measurement-Induced Continuous-Variable Gate Sequence in a Loop-Based Architecture", S. Takeda et al., Phys. Rev. Lett. 119, 120504 (2017年)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

光量子コンピュータの最大の利点はその高速性にある。非特許文献１は、クロック周波数２５ＭＨｚでの原理検証実験について報告をしている。２５ＭＨｚのクロック周波数による動作は、他の物理系による量子コンピュータと比較すれば十分に高速である。本来、光量子コンピュータの最終的なクロック周波数を制限するのは、スクイーズド光の帯域である。現在、波長１５５０ｎｍ付近では、数ＴＨｚの帯域を持つスクイーズド光の生成も可能となっている。しかしながら、プロセッサの電気回路を含む部分の帯域が十ＧＨｚに制限されているため（非特許文献３）、広帯域なスクイーズド光の能力を十分に活かしていなかった。広帯域スクイーズド光で実現した帯域の大部分を無駄にしていた。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の１つの態様は、周波数ｆ_Cの連続波光から、１つ以上のスクイーズド光を生成するスクイーズド光源、および、光合分波器および光遅延器を含み、前記スクイーズド光源からの前記１つ以上のスクイーズド光を干渉させて、１以上の干渉光を生成する光学遅延干渉系を有する量子もつれ状態生成部と、前記１以上の干渉光の内の１つの干渉光から、前記周波数ｆ_Cを中心周波数として、上下に対称に離れ、帯域幅Δｆ_HDを有する帯域のｎ個の組を抽出する周波数フィルタ、および、検出器を含み、ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対する前記検出器にローカル光が供給される、ホモダイン検出ブロックを有し、干渉出力を測定する量子操作部とを備えた光量子コンピュータである。

【発明の効果】

【0007】

本発明により、光量子コンピュータの動作帯域を飛躍的に高める。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】光量子コンピュータのプロセッサの構成例を示す図である。

【図2】光量子コンピュータにおけるスクイーズド光を説明する図である。

【図3】スイーズド光を発生させるスクイード光源の構成を示す図である。

【図4】光パラメトリック増幅器モジュールの構成を示す図である。

【図5】スクイーズド光の生成の概念を模式的に説明した図である。

【図6】測定誘起型量子操作に利用されるホモダイン検出器を示した図である。

【図7】光量子コンピュータのプロセッサにおける各部帯域の関係を示す図である。

【図8】本開示の光量子コンピュータのプロセッサの構成の概要を示す図である。

【図9】本開示の光量子コンピュータのホモダイン検出部の構成を示す図である。

【図10】光パラメトリック増幅器による前置増幅の効果を説明する図である。

【図11】本開示の光量子コンピュータのローカル光源の構成を示す図である。

【図12】本開示の光量子コンピュータのより詳細な構成を示す図である。

【図13】光量子コンピュータの光学遅延干渉系の他の構成例を示す図である。

【図14】スクイーズド光源の構成の様々なバリエーションを説明する図である。

【図15】連続光から４スクイーズド光を生成する動作を説明する図である。

【図16】単一のホモダイン検出器による量子操作部の構成を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光のスペクトルを光周波数の帯域に分け、対称な帯域の組を、独立した光量子コンピュータの複数のプロセッサとして扱う。複数のプロセッサの内の各プロセッサの帯域は、電気回路であるホモダイン検出器の帯域に適合させる。本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光の持っている広大な帯域内を分割使用して、並列計算を行うことで実効的なクロック周波数を上げることができる。通常のコンピュータで行われているような並列化と違い、光量子コンピュータでプロセッサ部分を構成するスクイーザーや遅延干渉系は現在の構成のままで、並列処理のために新たなリソースは不要である。本開示の光量子コンピュータによって、広帯域が実現されているスクイーズド光のすべての帯域を効率的に利用できる。

【0010】

以下の説明では、まず、光量子コンピュータの構成および動作について簡単に説明し、その後、本開示の光量子コンピュータについて説明する。

【0011】

[光量子コンピュータの基本構成]
図１は、光量子コンピュータのプロセッサの構成例を示す図である。図１のプロセッサ１０による光量子コンピュータは、時間領域多重化技術によって２次元クラスター状態を実現し、測定誘起型量子操作を利用して量子演算を実現する。２次元量子クラスターは、あらゆる量子計算パターンを実現できる量子もつれ状態である。十分な量子ビットの数で適切なもつれの構造を持つクラスター状態を準備することで、２次元量子クラスターに対して個々の量子ビットを測定することによって、任意の量子演算を実施する。

【0012】

時間領域多重化技術は、連続的に量子光源から出射される光を時間的に区切り、区切った量子波束（パルス）を光学遅延干渉系により干渉させることで、限られた台数の量子光源から大規模にもつれた状態を生成する。

【0013】

測定誘起型量子操作は、あらかじめ大規模な量子もつれを準備し、一部の量子ビットを観測することにより、残りの量子ビットに操作を施していく。測定誘起型量子操作は、他の物理系による量子コンピュータにおけるゲート型量子操作と等価な操作ができる。従来のゲート型量子コンピューティングでは、１つ１つの量子ビットをゲート操作によってもつれさせる。対照的に、光量子コンピュータの測定誘起型量子操作は、予め大規模な量子もつれを準備し、一部の量子ビットを観測することによって、残りの量子ビットに操作を施していく。以下、光量子コンピュータのプロセッサのもう少し具体的な構成について説明する。

【0014】

図１を参照すれば、プロセッサ１０は、スクイーズド光を生成する４つのスクイーズド光源（スクイーザー）１０１－１～１０１－４と、光学遅延干渉系１０３と、４つのホモダイン検出器１０２－１～１０２－４を備える。スクイーズド光源１０１は、スクイーズド光と呼ばれる光を発生させる。光学遅延干渉系１０３は、２つの長さの異なる光ファイバー１０５、１０６（光学遅延線）、５つのビームスプリッタ１０４を含む非対称な干渉系を構成する。光学遅延干渉系１０３によって一種の干渉計を構築し、その出力２０４を４つのホモダイン検出器で測定する。

【0015】

上述の光学遅延干渉系１０３によって、単独の光波束の中でしかなかった量子相関が、複数の光波束間の量子相関に拡張される。このような状態を時間領域多重クラスター状態と呼び、光量子コンピュータの計算リソースとなる。具体的には、スクイーズド光源１０１からのスクイーズド光２０１では、連続的な光として出力される光を時間的に区切り、区切った１つの波束（パルス）をそれぞれ量子ビットとして取り扱う。遅延時間がΔｔの短い方の光ファイバー１０５および、遅延時間がＮΔｔの長い方の光ファイバー１０６の間の遅延時間比Ｎに応じて、Ｎ入力を扱う２次元クラスター状態が実現される。

【0016】

ホモダイン検出器１０２による測定は、上述の測定誘起型量子操作に対応する。１つのホモダイン検出器１０２へ供給するローカル発振光２０３の位相を適切に設定し、測定する操作によって、ホモダイン検出器１０２から位相情報２１０が得られる。この測定によって、大規模な量子もつれ状態を形成している時間領域多重クラスター状態における、特定の量子ビットに対して操作を加えることができる。ホモダイン検出器１０２からの測定情報２１０に基づいて次の測定を行い、この測定を繰り返すことによって、光学系の全体構成を変えることなく様々な量子計算を実行できる。光量子コンピュータは、時間領域多重クラスター状態をプロセッサとして使用して、プログラム可能な量子計算を実施できる。現在の電子計算機や他の物理系の量子コンピュータでは、情報が入力され、プロセッサや量子ビットによって演算が実施され、結果が出力される。一方で、時間領域多重化技術および測定誘起型量子操作に基づく光量子コンピュータでは、ホモダイン検出器による位相情報の測定自体が、情報の入力に対応する。したがって、図１に示した光量子コンピュータのプロセッサ１０には、入力情報が明示されていないことに留意されたい。

【0017】

また図１における光学遅延干渉系１０３は、４つのスクイーズド光が入力され、４つの干渉光が出力されるBilayer square lattice(ＢＳＬ)(非特許文献X)と呼ばれる構成をベースに説明を行った（非特許文献５）。しかしながら、時間領域多重クラスター状態を生成するためには、異なる光学遅延干渉系の構成を利用することもできる。光学遅延干渉系の構成に応じて、スクイーズド光源から供給すべきスクイーズド光の数も異なっていて良い。詳細は、本開示の光量子コンピュータのバリエーションとして後述する。

【0018】

図２は、光量子コンピュータにおけるスクイーズド光を説明する図である。図２の（ａ）は非スクイーズド光である真空場またはコヒーレント光のノイズ分布を、図２の（ｂ）はスクイーズド光のノイズ分布を示している。光量子コンピュータにおいて、もっとも根幹となるのがスクイーズド光と呼ばれる特殊な量子状態の光である。この光は非可換な物理量対である波の振幅・位相の量子ノイズのうち片方の成分が圧搾された状態の光であり、偶数個の光子流でもある。（ａ）に示したように、非スクイーズド光の真空中の量子ノイズは、ショットノイズの振幅１５２を有しＳｉｎ成分およびＣｏｓ成分とも均等であって、円形状のノイズ分布１５０をしている。一方、（ｂ）に示したスクイーズド光の真空中の量子ノイズは、Ｃｏｓ成分にアンチスクイーズドノイズ振幅１５３、Ｓｉｎ成分にスクイーズドノイズ振幅１５４を有し、一方の成分が圧縮されている。

【0019】

すなわち、非可換な物理量対である波の片方のＳｉｎ成分の量子ゆらぎ（量子ノイズ）が圧縮された状態の光である。光通信波長帯で動作し かつ 光ファイバーが結合した状態で、 大規模量子計算を実行できる時間領域多重の量子もつれ（２次元クラスター状態）の生成には、一定のレベルを超える量子ノイズ圧搾率が必要となる。具体的には、図１に示したＢＳＬ型の光学遅延干渉系１０３による時間領域多重クラスター状態の生成のためには、６５％を超える量子ノイズ圧搾率が必要となる。

【0020】

図３は、スクイーズド光を発生させるスクイード光源の構成を示す図である。図３の（ａ）はスクイード光源（スクイーザー）１０１のブロック図を示す。スクイード光源１０１は、連続波発生レーザー１１０、第２高調波（ＳＨＧ）光発生器１１２、およびパラメトリック下方変換器１３０から成る。レーザー１１０は、例えば周波数ｆ_C＝１９４ＴＨｚ（＝ １５４５．３２ｎｍ）の連続波光２００を発生する。 連続波光２００は、ＳＨＧ光発生器１１２で、ＳＨＧ光２０２（周波数２ｆ_C）に変換される。さらにＳＨＧ光２０２は、パラメトリック下方変換器１３０において、光パラメトリック増幅器によって中心周波数ｆ_cに対して対称な成分が光子対を生成し、スクイーズド光２０１が出力される。

【0021】

図３の（ｂ）はスクイード光源１０１のより具体的な構成を示す図である。連続波発生レーザー１１０からの出力はＥＤＦＡ１１１によって十分なレベルまで増幅され、ＳＨＧ光発生器１１２に入力される。ＳＨＧ光発生器１１２は、非線形光学素子として周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）リッジ導波路を用いて実現できる。ＰＰＬＮ導波路素子を利用したＳＨＧ光発生器１１２からのＳＨＧ光２０２は、同じくＰＰＬＮ導波路素子１３３を利用したパラメトリック下方変換のための光パラメトリック増幅器１３０（ＯＰＡ：Optical Parametric Amplifier）モジュールに入力される。

【0022】

図４は、ＯＰＡモジュールの構成を示す図である。ＯＰＡモジュール１３０は、モジュールの筐体内に、金属板１３５の上にペルチェ素子１３４を介して固定されたＰＰＬＮ素子１３３を備える。ＯＰＡモジュール１３０は、ＳＨＧ光２０２が入力される光ファイバー１４１およびスクイーズド光２０２を出力する光ファイバー１４３が接続されている。入力されたＳＨＧ光２０２は、レンズ１３１、フィルタ１３２ｂを経由して、ＰＰＬＮ素子１３３に入力される。スクイーズド光２０１は、ＰＰＬＮ素子１３３から、フィルタ１３６ａ、１３６ｂ、レンズ１３７を経て出力される。

【0023】

図５は、スクイーズド光の生成の概念を模式的に説明した図である。図１および図３で説明したスクイーズド光源１０１は、図４に示した光パラメトリック増幅器１３０によって中心角周波数ω_Cに対して対称な成分ω_iとω_Sにおいて光子対１６１－１、１６１－２を生成する。光子対が生成したスクイーズド光は、ある時間内に含まれる光が量子的な相関を持った状態にある光と言うことができる。図５の下側には、連続的な光として出力された光を時間的に区切り、区切った１つの波束（パルス）をそれぞれ量子ビットとして取り扱う概念を示している。スクイーズド光の帯域が広いほど、時間軸においては、より狭い時間幅の光同士が相関を持つことになる。すなわち、単位時間当たりにたくさんの光波束１６３を詰め込むことができることを意味し、光量子コンピュータの最終的なクロック周波数を決定する。例えば中心周波数ｆ_C＝１９４ＴＨｚにおいて帯域幅Δf_Sqz＝６ＴＨｚを有するスクイーズド光はすでに生成されている。このようなスクイーズド光による光量子コンピュータのクロック周波数の理論的な上限は６ＴＨｚと言うことができる。

【0024】

このように、図１に示した光量子コンピュータのプロセッサ１０の動作速度を最終的に制限するのは、スクイーズド光の帯域幅Δf_Sqzである。しかしながら実際には、スクイーズド光源よりも他の部分、特にホモダイン検出器の帯域ｆ_HDの制限のため、最先端の技術を用いたとしてもプロセッサ１０の帯域は十ＧＨｚに制限されていた。

【0025】

図６は、測定誘起型量子操作に利用されるホモダイン検出器の構成を示した図である。図１の光量子コンピュータのプロセッサ１０における１つのホモダイン検出器１０２を示している。ホモダイン検出器１０２は、２次元クラスター状態が形成された光学遅延干渉系１０３からの１つの干渉出力２０４およびローカル光２０３が入力され、検波出力２１０を出力する。ホモダイン検出器１０２は、入力される干渉光２０４の直交位相振幅を測定する。干渉光２０４は、５０％反射のミラー１２１で２つの検出器１２２－１、１２２－２に分岐される。スクイーズド光源１０１の連続光２００と位相同期した光がローカル光（Ｌｏ）２０３として入力され、位相変調器１２４を経由して、ミラー１２１で入力された干渉光と同様に分岐される。引き算器１２３と、２つの検出器１２２－１、１２２－２で構成される差動検出器（バランス検出器）は、２つの検出器の出力の差分（引き算）を生成し、位相変調器１２４における設定位相θに応じた直交位相振幅が測定される。

【0026】

ホモダイン検出器等の帯域を広げる取り組みも行われているが、ＴＨｚ帯域に達するまでには時間が掛かる。また、ホモダイン検出器を除いた他の構成要素を全てＴＨｚ帯域に対応させる必要があり、その実現は困難である。

【0027】

図７は、光量子コンピュータのプロセッサにおける各部の帯域の関係を示す図である。図７の（ａ）は、図１に示した現在の光量子コンピュータのプロセッサ１０において、スクイーズド光の帯域１７０のΔf_Sqzに対して、ホモダイン検出器の帯域１７１のｆ_HDが著しく制限されていることを示している。帯域幅Δf_Sqz＝６ＴＨｚにも達するスクイーズド光が開発されているにもかかわらず、その大部分の帯域が利用されていないことが問題であった。

【0028】

[新規な光量子コンピュータの構成]
発明者らは、高性能のスクイーズド光の広大な帯域を無駄なく利用して、光量子コンピュータの動作速度を大幅に高速化する、新規なプロセッサの構成を見出した。

【0029】

図７の（ｂ）は、本開示の光量子コンピュータのプロセッサにおいて、ホモダイン検出器を含む新規な構成の測定励起型の量子操作部によって、スクイーズド光の帯域１７０がどのように使用されるのかを示している。本開示の光量子コンピュータでは、従来の１つのホモダイン検出器に代えて、１つの干渉光に対してｎ個の検出器を含むホモダイン検出部を含み、干渉光を測定する測定励起型の量子操作部を備える。ホモダイン検出部の各検出器が、スクイーズド光の帯域１７０の中心周波数ｆ_cに対して対称な位置にあるスペクトル帯域の組（２つの帯域）を抜き出して利用する。具体的に図７の（ｂ）では、量子操作部の１つのホモダイン検出器は、中心周波数ｆ_Cに対して対称な位置にある帯域１７２－１、１７２－２の組を利用する。別のホモダイン検出器は、中心周波数ｆ_Cに対して対称な位置にある別の帯域１７３－１、１７３－２の組を利用する。隣接する帯域が配置される間隔は、周波数間隔ｆ_Spacingである。本開示の光量子コンピュータのプロセッサにおけるスクイーズド光の帯域１７０の効率的な利用は、図１のホモダイン検出器を含む量子操作部およびローカル光を供給する光源の構成を、以下のように変更することで実現できる。

【0030】

図７の（ｂ）では、スクイーズド光の帯域１７０の中心周波数ｆ_Cに一致する帯域は使用されておらず空いているが、この帯域は従来技術におけるスクイーズド光で利用されていた帯域である。本開示の光量子コンピュータは、中心周波数ｆ_Cに対して対称な位置にある帯域の組を利用する点に特徴があるが、従来技術における中心周波数ｆ_Cに一致する帯域を合わせて利用することもできる。

【0031】

図８は、本開示の光量子コンピュータのプロセッサの構成の概要を示す図である。プロセッサ１００は、スクイーズド光を生成する４つのスクイーズド光源（スクイーザー）１０１－１～１０１－４と、光学遅延干渉系１０３と、４つのホモダイン検出部３００－１～３００－４を含むホモダイン検出ブロック３００と、ローカル光源４００とを備える。スクイーズド光源１０１および光学遅延干渉系１０３の構成は、図１の光量子コンピュータのプロセッサ１０の場合と同一である。図１の光量子コンピュータの構成との相違点は、ホモダイン検出ブロック３００およびローカル光源４００にある。ここで、光学遅延干渉系１０３から出力される干渉光２０４の数をｍとする。ｍは１以上の整数であって、図８の光学遅延干渉系１０３の場合は、ｍ＝４となる。

【0032】

図９は、本開示の光量子コンピュータのホモダイン検出器の構成を示す図である。図９の（ａ）は、図８のプロセッサ全体図におけるホモダイン検出ブロック３００の内で、１つの干渉光２０４が入力されるホモダイン検出部３００－１の構成を示している。ホモダイン検出部３００－１は、図１の従来技術の構成における１つのホモダイン検出器１０２－１に対応しており、量子演算を実施する量子操作部の一部として機能する。量子操作部は、図９の（ａ）のホモダイン検出部と、図８のローカル光源４００または図１１とともに後述するローカル光源とを含むものとする。ホモダイン検出部３００－１は、周波数フィルタ３０１およびｎ個のホモダイン検出器３０２－１～３０２－ｎを備える。ｎ個のホモダイン検出器の各々の構成は、図６に示したホモダイン検出器１０２と同一である。図１２とともに具体的構成として後述するよう、ホモダイン検出ブロック３００は、図９の（ａ）のホモダイン検出部３００－１が干渉光の数のｍ個だけあり、ｍ×ｎ個の検出器３０２－１～３０２－ｎが存在することになる。

【0033】

図６に示した従来構成のホモダイン検出器１０２とは異なり、ホモダイン検出部３００－１はｎ個の検出器３０２－１～３０２－ｎを含み、それぞれ、検出器の入力側に、前置増幅器として光パラメトリック増幅器３０４－１～３０４－ｎをさらに備えている。ここで、光学遅延干渉系１０３から入力される干渉光２０４を光パラメトリック増幅器によって前置増幅する効果について説明する。

【0034】

図１０は、光パラメトリック増幅器による前置増幅の効果を説明する図である。図１０の（ａ）は、従来技術の構成のホモダイン検出器３００において、スクイーズド光から検波出力を得るまでを模式的に示している。スクイーズド光源からのスクイーズド光による干渉光２４０は、ホモダイン検出器に至るまでに損失を受け、ノイズが混入する可能性もある。例えば図３および図４で説明したスクイーズド光源において、パラメトリック下方変換器のＰＰＬＮ導波路素子の伝搬損失が生じる。またＰＰＬＮ導波路素子と光ファイバー間の接続損失も同様に、スクイーズド光のレベルを劣化させる。さらには、光学遅延干渉系１０３における損失、ホモダイン検出器の量子効率の低下による損失も生じる。上述の導波路の伝搬損失や接続損失、遅延干渉系の損失などの線形な光学損失は、透明性の高い材料を用い加工精度を上げることで原理的に極めて小さくできる。また、損失の波長依存性を同時に小さくすれば、動作帯域を大幅に制限する要因は小さい。しかしながら、検出器における量子効率および動作帯域の間にはトレードオフの関係があり、光量子コンピュータの動作帯域を制限する要因となっていた。

【0035】

光量子コンピュータでは、ホモダイン検出器には、量子測定用の量子効率の高いタイプを使用する必要がある。検出器の量子効率とは、入射する光子数に対して生成される電子数の比を言う。言い換えると、スクイーズド光の光子がフォトダイオード（検出器）の光吸収層で吸収され、電子を励起する割合である。一般に、量子効率の高い検出器には、トレードオフとして動作速度が遅い問題があり、動作帯域は１００ＭＨｚから高々１ＧＨｚ程度である。検出器３００の最終段に電気信号の増幅器３０５を置いても、ホモダイン検出器３００よりも前段側で混入したノイズの影響はそのまま残ってしまう。

【0036】

一方で、図１０の（ｂ）に模式的に示したようにホモダイン検出器３０２の前段側に前置の光パラメトリック増幅器３０４を備え、位相感応光増幅（ＰＳＡ：Phase Sensitive Amplification）を行うことで、増幅後の信号に対しては損失耐性を獲得することができる（非特許文献１０）。検出器には、量子効率が高い特別のものではなくて、通信用の超高速なタイプ(数十ＧＨｚ～１００ＧＨｚ)を使用することができる。結果として、図９のホモダイン検出器３０２は、非常に広帯域なものを実現し、次に述べる周波数フィルタ３０１の構成も簡易化できる。

【0037】

再び図９に戻ると、図９の（ｂ）は、ホモダイン検出部における周波数フィルタの特性例を示している。周波数フィルタ３０１は、光学遅延干渉系１０３からの１つの出力２０４に対して、中心周波数ｆ_cから所定の周波数間隔Δｆ_Spacingのｎ倍（ｎ＝１，２，・・・ｎ）の周波数だけ離れ、それぞれが帯域幅ｆ_HDを持つスペクトル帯域の組を抜き出し、ｎ個の異なる帯域の組を出力する。ｎ個のホモダイン検出器３０２－１～３０２－ｎのそれぞれに、異なる帯域の組の干渉光が入力され、入力干渉光２０４の直交位相振幅の測定が実施される。周波数フィルタ３０１は、例えば波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）フィルタを利用できる。ＷＤＭフィルタは、ＭＥＭＳなどの空間光学系部品を利用したものやＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating）を利用したものがある。光学遅延干渉系１０３からの１つの出力２０４から、ＷＤＭフィルタによって切り出されたｎ個の帯域の組に対して、独立に、測定誘起型量子操作を実施できる。尚、図９の（ｂ）には示していない、中心周波数ｆ_cの空きの帯域は、従来技術の光量子コンピュータにおいて利用されていた帯域であり、この帯域を図９の（ｂ）に示されたｎ個の帯域の組と合わせて利用しても良い。この場合は、図９の（ａ）には示していないが、ホモダイン検出器３０２－０が１つ追加されることになる。

【0038】

図９の（ａ）に示したホモダイン検出部３００－１の検出器の各々へは、対応するローカル光２０３－１～２０３－ｎ（Ｌｏ１、Ｌｏ２、・・・Ｌｎ－１、Ｌｎ）の組が供給される。すなわち、１つの帯域の組（上側帯域、下側帯域）に対して、対応するローカル光の組（上側用ローカル光、上側用ローカル光）が供給される。図９の（ｂ）では、ローカル光の組を１つの矢印で表記している。したがって、ホモダイン検出ブロック３００全体に対して、ｎ個の帯域の組に対応したローカル光が生成され、前、周波数間隔ｆ_Spacingの２×ｎ個のローカル光が供給される。図９の（ｂ）では空きとなっている中心周波数ｆ_cの帯域をｎ個の帯域の組と合わせて利用する場合、上述の周波数間隔ｆ_Spacingの２×ｎ個のローカル光に加えて、中心周波数ｆ_cをローカル光（Ｌｏ０）として利用できる。この場合は、２ｎ＋１個（ｎ＝０, １, ２・・）のローカル光を利用すれば良い。

【0039】

ホモダイン検出器に与えられるローカル光の周波数によって、抽出される帯域の組が決定される。各ホモダイン検出器に対し、位相変調器の位相θを設定して、ローカル光を適切に選択しホモダイン測定を実行することで、測定誘起型量子操作が実現される。１つの干渉光に対応するホモダイン検出部にはｎ個の検出器が含まれるので、並行してｎ個の測定誘起型量子操作が実施され、ｎ個の帯域の組を利用した並列処理を実現できる。各検出器からの測定情報２１０－１、２１０－ｎに基づいて次の測定を行い、この測定を繰り返すことによって、光学系の全体構成を変えることなく様々な量子計算を実行できる。

【0040】

より具体的には、帯域幅Δf_Sqz＝６ＴＨｚ のスクイーズド光に対し、透過スペクトル中心の間隔Δｆ_Spacing＝５０ＧＨｚのフィルタを用いると、６ＴＨｚ／(５０ＧＨｚ×２)＝６０となる。したがって、１つの干渉光に対応するホモダイン検出部は６０個のホモダイン検出器で構成され、６０多重が可能となる。この計算において、×２の項は中心周波数に対して対称な帯域を抜き出すことを意味する。既に、ホモダイン検出器３０２－１～３０２－ｎとして帯域が１０ＧＨｚ程度のものは実現されている。したがって、図８に示した光量子コンピュータのプロセッサ１００は、クロック周波数が１０ＧＨｚの光量子コンピュータのプロセッサが６０台あることに相当する。図９で説明したように前置の光パラメトリック増幅器３０４を備えることで、帯域が１００ＧＨｚを越えるホモダイン検出器の利用も可能となる。ホモダイン検出器の広帯域化によって、周波数フィルタ３０１のバンド数を減らすことができて、周波数フィルタ３０１の低コスト化もできる。

【0041】

図１１は、本開示の光量子コンピュータのローカル光源の構成を示す図である。図９で説明したように、１つのホモダイン検出部に対して、異なる周波数のローカル光の組を供給する必要がある。ローカル光源４００は、ホモダイン検出部のための、ｎ組の位相同期したローカル発振光を生成する。ローカル光の１つの組は、上側帯域のローカル光、下側帯域のローカル光を含む。図１１では簡単のため、光バンドパスフィルタからのローカル光の１つの組を１つの矢印で表記している。上述の具体例では、６０組の互いに位相同期したローカル発振光（２×６０個のローカル光）が必要となり、光周波数コムの技術を利用できる。上述のｎ組の位相同期したローカル発振光に加えて、中心周波数ｆ_cをローカル光（Ｌｏ０）として利用することもできる。この場合は、２ｎ＋１個（ｎ＝０, １, ２・・）のローカル光を利用すれば良い。

【0042】

ローカル光源４００は、スクイーズド光の中心周波数ｆ_Cと等しい光周波数を持つ連続波光レーザー４０１、発振器４０２、電気光学（ＥＯ）コム発生器４０３、光バンドパスフィルタ４０４を含む。連続波光レーザー４０１は、スクイーズド光源の励起に使用するレーザーをそのまま利用できる。発振器４０２は、多重化されるローカル光の周波数間隔Δｆ_Spacingを与える。ＥＯコム発生器４０３は、位相変調器や強度変調器またはこれらの組み合わせによって、周波数間隔ｆ_Spacingで変調を加えられ、複数のサイドバンドを持った光周波数コム光を生成する（例えば非特許文献４）。ＥＯコム発生器４０３の出力を、バンドパスフィルタ４０４によって抜き出し、量子操作部の各ホモダイン検出器に送ることで、１つの連続波光レーザー４０１から広帯域にわたるローカル光を作ることができる。波長分散の影響などを考慮し、光周波数コム光に対して分散補償を施しても良い。

【0043】

ｎ組（２×ｎ個）の位相同期したローカル発振光を生成する方法は、図１１の構成だけに限定されない。別の方法としては、繰り返し周波数f_spacingを有する独立した光周波数コム光源を用意し、その光周波数コム光源とスクイーズド光生成に用いる連続波光レーザーとを位相同期することで、ローカル光を生成しても良い。スクイーズド光を生成する光源における連続波光レーザーに基づいて、図９のホモダイン検出ブロック３００に対して、複数の位相同期したローカル発振光を生成している限り、ローカル光源の構成は限定されない。

【0044】

図９の（ｂ）を再び参照すれば、ローカル光の周波数ｆ_Lonは、例えば、中心周波数ｆ_Cに対して±Δｆ_Spacing×１離れた周波数の組（ｆ_Lo1+を、ｆ_Lo1-）を利用することで、中心周波数に隣接する２つの帯域がプロセッサとして利用される。同様に、中心周波数ｆ_Cに対して±Δｆ_Spacing×２離れた周波数の組（ｆ_Lo2+を、ｆ_Lo2-）を利用することで、中心周波数ｆ_Cに次に隣接する２つの帯域がプロセッサとして利用される。そして、中心周波数ｆ_Cに対して±Δｆ_Spacing×ｎ離れた周波数の組（ｆ_Lon+を、ｆ_Lon-）を利用することで、中心周波数ｆ_Cから最も離れた２つの帯域がプロセッサとして利用される。

【0045】

上述の説明では、図９の（ｂ）に示したように、１つのホモダイン検出部が、中心周波数ｆ_Cに対して対称な位置にある２つの帯域、すなわち帯域の組を利用し、隣接する帯域が等間隔に配置されている例を示した。しかしながら、隣接する帯域が一定の周波数間隔Δｆ_Spacingで等間隔に配置されている必要はない。帯域の組のそれぞれにおいて、中心周波数ｆ_Cに対して対称に配置されていれば、隣接する帯域が等間隔でないように配置されていても良い。

【0046】

また、各帯域の中心周波数ｆ_Cからの周波数軸上の位置に応じて、その帯域幅ｆ_HDを変化させても良い。光学部品に分散の影響がある場合、中心周波数ｆ_Cに近い帯域の組に対しては、Δｆ_Spacingを比較的広い、例えば１００ＧＨｚの周波数間隔とする。一方で、中心周波数ｆ_Cから離れた帯域の組に対しては、隣接する帯域の周波数間隔Δｆ_Spacingを７５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、２５ＧＨｚのように、徐々に狭めるように設定しても良い。帯域の周波数間隔の変更に応じて、帯域幅ｆ_HDをΔｆ_Spacing≧ｆ_HDの条件の下で任意に変化させても良い。上述の帯域の組の構成法は一例であって、それぞれの組において、２つの帯域が中心周波数ｆ_Cから対称に配置されていれば、隣接する帯域の周波数間隔および帯域の帯域幅は任意に設定することができる。

【0047】

[より具体的な光量子コンピュータの構成]
図１２は、本開示の光量子コンピュータのプロセッサのより詳細な構成を示す図である。図８に示したプロセッサ１００と同じものであるが、図９のホモダイン検出ブロック３００および図１１のローカル光源４００とともに明示したものである。光学遅延干渉系１０３からの４つの出力２０４（ｍ＝４）の各々を、ｎ個の帯域の組へ分離するＷＤＭフィルタ３０１－１～３０１－４が示されている。同一周波数の周波数のローカル光（例えばＬｏ１）が、４つの干渉光のそれぞれに対する検出器に供給され、ｎ個の異なる周波数のローカル光が、多層的に、ｎ個の検出器に与えられる。

【0048】

周波数ｆ_Cの連続波光から１つ以上のスクイーズド光を生成するスクイーズド光源、および、光学遅延干渉系１０３を、量子もつれ状態生成部とも呼ぶ。量子もつれ状態生成部は、時間領域多重された２次元クラスター状態を生成する。また、周波数フィルタを含むホモダイン検出ブロック３００およびローカル光源４００を合わせて、量子操作部と呼ぶ。

【0049】

図１２では、１つローカル周波数に対応する４つの検出器を１つの検出器のグループ３０３－１として表している。ホモダイン検出ブロック３００は、２×ｎ個のローカル周波数のそれぞれに対応したｎ個の検出器のグループ３０３－１～３０３－ｎが含まれていることが理解できるだろう。したがって、ホモダイン検出ブロック３００は、ｍ×ｎ個の検出器を含むことになる。図９の（ａ）に示した１つの干渉光に対応するホモダイン検出部３００－１は、ｎ個の検出器のグループ３０３－１～３０３－ｎの内で、例えば周波数フィルタ３０１－１に接続されたｎ個の検出器を示している点に留意されたい。したがって、図９の（ａ）で示したｎ個の検出器と、図１２に示した検出器の１つのグループ３０３－１内の４個（ｍ＝４）の検出器は、ホモダイン検出ブロック３００を異なる視点から見たものである。図１２に示したホモダイン検出ブロック３００は、構成を分かりやすくするために階層的に表現したものであって、物理的な配置を示すものではない。

【0050】

図１２に示した検出器の１つのグループ３０３－１内の４個の検出器には、ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対応し、光学遅延干渉系１０３からの４つの干渉光（ｍ＝４）に関連付けられた同一周波数のローカル光が供給される。図１２の構成では、干渉光の数と、１つのグループ３０３－１内の検出器の数とは等しい。しかしながら図１６で後述するように、干渉光の数よりも少ない数の検出器によって、干渉光の数と同数の検出器による場合と同等のホモダイン測定を実行できる。

【0051】

スクイーズド光源１０１は、単一の連続波レーザー１１０から出力される連続波光から、ＳＨＧ光生成器１１２でＳＨＧ光生成され、光分岐１１４で等分に分岐される。分岐されたＳＨＧ光が、それぞれパラメトリック下方変換器１３０－１～１３０－４に与えられる。各パラメトリック下方変換器１３０－１～１３０－４から、スクイーズド光が出力される。スクイーズド光源１０１の別の構成として、連続波光を４分岐して、４つのＳＨＧ光生成器によって、ＳＨＧ光を生成しても良い。単一の連続波光レーザー１１０からの連続光出力は、光結合器１１３で分岐され、ローカル光源のＥＯコム発生器４０３へ与えられる。

【0052】

したがって本開示の光量子コンピュータは、周波数ｆ_Cの連続波光から、１つ以上のスクイーズド光を生成するスクイーズド光源１０１、および、光合分波器および光遅延器を含み、前記スクイーズド光源からの前記１つ以上のスクイーズド光を干渉させて、１以上の干渉光を生成する光学遅延干渉系１０３を有する量子もつれ状態生成部と、前記１以上の干渉光の内の１つの干渉光から、前記周波数ｆ_Cを中心周波数として、上下に対称に離れ、帯域幅Δｆ_HDを有する帯域のｎ個の組を抽出する周波数フィルタ３０１－１、および、検出器を含み、ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対する前記検出器にローカル光が供給される、ホモダイン検出ブロック３００を有し、干渉出力を測定する量子操作部とを備えたものとして実施できる。

【0053】

本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光のスペクトル帯域を光周波数のバンドに分け、対称位置にある帯域の組のそれぞれを独立した光量子コンピュータの複数のプロセッサとして扱う。例えば６０個の帯域（３０個の帯域の組）により多重化を行い、個々の帯域の組に対して４０ＧＨｚの動作帯域を有するバランス検出器を用いることで、現状技術を利用しても２．４ＴＨｚ換算のクロック周波数を実現できる。スクイーズド光で実現されている帯域を無駄なく利用することができる。本開示の量子コンピュータでは、多重化をしているにもかかわらず、スクイーザーやビームスプリッタ、光学遅延路の構成を増やす必要が無い。光学系の構成要素を何ら変更しないままで、プロセッサが６０台あるのと同様の並列処理が可能となる。他の物理系による量子コンピュータは、現時点では動作原理実証にとどまり、高速化までを見据えた研究は皆無である。本開示の光量子コンピュータは、既存の技術を利用して、２．４ＴＨｚという他の追従を許さないような高クロックを実現できる。

【0054】

[光量子コンピュータのバリエーション]
本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光のスペクトル帯域を光周波数のバンドに分け、対称位置にある帯域の組のそれぞれを、独立した光量子コンピュータの複数のプロセッサとして扱う。スクイーズド光で実現されている帯域を光周波数のバンドに分割し利用している限り、図８や図１２に示した光量子コンピュータの各要素として、別の構成を採ることもできる。以下では、本開示の光量子コンピュータのバリエーションの例を説明する。

【0055】

図１における従来技術や、図８および図１２における本開示の光量子コンピュータでは、スクイーズド光源から４つのスクイーズド光が光学遅延干渉系１０３に供給される例を説明した。光学遅延干渉系１０３については、４つのスクイーズド光から４つの干渉光を生成して２次元クラスター状態を実現する、ＢＳＬ型の構成を例に説明した。しかしながら、２次元クラスター状態を実現するために必要なスクイーズド光の数や光学遅延干渉系の構成は、上述の例だけに限定されない。

【0056】

図１３は、光量子コンピュータの光学遅延干渉系の他の構成例を示す図である。図１３の（ａ）は、上述のＢＳＬ型と同じく、４つのスクイーズド光から４つの干渉光２０４を得る、Modified bilayer square lattice（ＭＢＳＬ）型と呼ばれる光学遅延干渉系１０３－１の構成を示す（非特許文献６）。図１３の（ｂ）は、２つのスクイーズド光から２つの干渉光を得る、Double bilayer square lattice（ＤＢＳＬ）型と呼ばれる光学遅延干渉系１０３－２の構成を示す（非特許文献７）。図１３の（ｃ）は、４つのスクイーズド光から４つの干渉光を得る、Quad-rail lattice（ＱＲＬ）型と呼ばれる光学遅延干渉系１０３－３の構成を示す（非特許文献８）。

【0057】

上記のいずれの構成でも、２次元クラスター状態を実現することが可能であって、図８や図１２のように、スクイーズド光源から供給するスクイーズド光の数が４つである必要はない。後述するように、スクイーズド光が単一であっても、２次元クラスター状態を実現できる。また、この数にホモダイン検出部におけるホモダイン検出器の数は、光学遅延干渉系から出力される干渉光の数に適合させれば良い。

【0058】

図１４は、スクイーズド光源の構成の様々なバリエーションを説明する図である。図８では、スクイーズド光源１０１が、同一構成の４つのスクイーザー１０１－１～１０１－４で構成されているものとして説明した。使用される光学遅延干渉系の構成に応じて、必要な数のスクイーズド光を光源全体で供給できるものであれば、スクイーズド光源の形態には様々なバリエーションが可能である。

【0059】

図１４の（ａ）の構成では、単一の連続波レーザー１１０および単一のＳＨＧ光生成器１１２からＳＨＧ光を生成する。その後、ＳＨＧ光を４分岐して、４つのパラメトリック下方変換器１３０によって、４つのスクイーズド光を出力する。この構成は、図１２に示した光量子コンピュータにおける構成と同じである。

【0060】

図１４の（ｂ）の構成では、単一の連続波レーザー１１０の出力を４分岐した後に、４つのＳＨＧ光生成器１１２および４つのパラメトリック下方変換器１３０によって、４つのスクイーズド光を出力する。図１４の（ａ）でパラメトリック下方変換器に対するＳＨＧ光のレベルが十分でない場合には、（ｂ）の構成が望ましい。また図１４の（ｃ）のように、連続波レーザー１１０の出力を４分岐し、２つのＳＨＧ光生成器１１２のそれぞれの出力を２分岐して、４つのパラメトリック下方変換器１３０によって４つのスクイーズド光を出力しても良い。

【0061】

上述のように本開示の光量子コンピュータでは、スクイーズド光源は、使用される光学遅延干渉系の構成に応じた１つ以上のスクイーズド光を出力できるものであれば良い。

【0062】

図１５は、連続光のスクイーズド光源から４つのスクイーズド光を生成する動作の説明図である。図１５の（ａ）は、４つのスクイーズド光を生成するスクイーズド光源の構成を示す。図１５の（ｂ）は、分岐および遅延によって、連続光のスクイーズド光から４つのスクイーズド光を生成するタイミング動作図である。図１５の（ａ）の光源の左側半分のパラメトリック下方変換器１３０までの構成は、図３の（ａ）で説明した単一のスクイーザー１０１と同一である。図１５の（ａ）の光源の右側半分の構成は、パラメトリック下方変換器１３０からの連続光出力を、一定の期間および間隔で４つの光路に分岐して、光路に応じて遅延を加える、分岐遅延部として動作する。１つの連続光のスクイーズド光から、所定のタイミングで４つのスクイーズド光を同時に出力できる。

【0063】

具体的には、パラメトリック下方変換器１３０からのスクイーズド光出力は、ツリー状に配置した３つの分岐比可変光分波器１８１ａ～１８１ｃによって、異なるタイミングで切り出される。分岐比可変光分波器１８１ｂ、１８１ｃの出力のＡ点においてパルス状の４つの光１８４ａ～１８４ｄが得られる。これらの出力は、遅延器１８３ａ～１８３ｃによって、さらに異なる遅延時間を受けて、Ｂ点において時間調整された４つの出力光１８５ａ～１８５ｄが得られる。分岐比可変光分波器１８１ａ～１８１ｃは、入力された光のほとんどを一方のポートに出力できるものとする。したがって、分岐比可変光分波器１８１ａ～１８１ｃは、一方の出力ポートにのみに光を出力する光スイッチであっても良い。

【0064】

図１５の（ｂ）のタイミング図を参照すると、時刻ｔ₀において、時間τの間だけ最上段の出力ポートにパルス状のスクイーズド光１８４ａが出力されるよう３つの分岐比可変光分波器を制御する。次の時刻ｔ₁において、同じ時間τの間だけ２段目の出力ポートにパルス状のスクイーズド光１８４ｂが出力されるよう３つの分岐比可変光分波器を制御する。同様にして、時刻ｔ₂において、パルス状のスクイーズド光１８４ｃが、時刻ｔ₃において、パルス状のスクイーズド光１８４ｄがそれぞれ出力される。最上段の出力ポートには３ｔ₁の光遅延器が、２段目の出力ポートには２ｔ₁の光遅延器が、３段目の出力ポートにはｔ₁の光遅延器が、備えられている。したがって光源出力のＢ点においては、時刻ｔ₀＋３ｔ₁において、同じタイミングで４つのパルス状のスクイーズド光１８５ａ～１８５ｄが得られる。上述の分岐比可変光分波器１８１ａ～１８１ｃによるスクイーズド光の切り出しを４ｔ₁の周期で繰り返すことで、一定の期間τ内において４つのスクイーズド光が得られる。

【0065】

したがって図１５の（ａ）に示した構成によって、単一のスクイーザーから４つのスクイーズド光を、例えば図８の光学遅延干渉系１０３各入力ポートに同時に入力できる。図１５の（ｂ）に示したように、繰り返し期間の内で、スクイーズド光全く出力されない期間もあるが、十分に速く動作しかつ低損失な分岐比可変光分波器が利用可能であれば、原理的には１つのパラメトリック下方変換器だけで済む。図８の４つのスクイーザーを備えたスクイーズド光源１０１よりも簡略化、低コスト化をできる可能性がある。

【0066】

上述のように、スクイーズド光源の形態は、また、スクイーズド光源から供給されるスクイーズド光の数は、図１０または図１２の構成に限られず、様々なバリエーションが可能であることに留意されたい。

【0067】

図１６は、単一のホモダイン検出器による量子操作部の構成を説明する図である。図１６の（ａ）は、図１２に示した光量子コンピュータ５００の量子操作部におけるホモダイン検出ブロック３００の構成を示している。図１２でも説明したように、例えば１つの干渉光２０４－１に対するｎ個の検出器はホモダイン検出部３００－１を構成する。また、同一の周波数のローカル光（Ｌｏ１）が供給される４個（ｍ）の検出器３０２－１ａ～３０２－１ｄは、１つの検出器のグループ３０３－１を構成するものとする。したがって、ホモダイン検出ブロック３００は、ｍ×ｎ個の検出器で構成される。１つの検出器のグループ３０３－１においては、干渉光の数のｍ＝４個の検出器が必要となる。しかしながら、図１５で説明した１つの光源から４つのスクイーズド光を出力するのと同様、光合波器と遅延器を組み合わせることで、単一の検出器で４個の検出器と同等の動作が可能となる。

【0068】

図１６の（ｂ）は、単一のホモダイン検出器による量子操作部の構成を説明する図である。ホモダイン検出ブロック３００Ａは、１つのローカル周波数に対して単一の検出器３０２のみを含み、検出器３０２の前段側に遅延器と光合波器を備える。３つの遅延器３１１ａ、３１１ｂ、３１１ｃは、ｔ₃、ｔ₂、ｔ₁の遅延時間を持っており、逆ツリー状の合波器３１２ａ～３１２ｃを経由して、検出器３０２に入力される。４つの干渉出力２０４－１～２０４－４は、同時に４つの周波数フィルタ３０１－１～３０１－４に到達するが、検出器３０２では、順次入力されることになる。したがって、光学遅延干渉系から出力される２次元クラスター状態のパルス間隔を適切に調整することで、１つの検出器３０２であっても、時分割で４つの異なる干渉光の順次の検出が可能となる。干渉光の数ｍよりも少ない数の検出器でも、等価的にｍ×ｎ個の検出器があるのと同じ動作が可能である。

【0069】

光合波器３１２ａ～３１２ｃとして、分岐比可変光分波器または光スイッチを利用することができる。図１６の（ｂ）に示した遅延器および光合波器を用いた時分割の構成により、複数の干渉光の数（ｍ＝４）よりも少ない数（ｍ´＝１）の検出器によって順次検出することができる。図１６の（ｂ）における遅延器と光合波器の構成を修正すれば、例えば検出器を２個（ｍ´＝２）にすることもできる。

【0070】

図８および図１２で説明した本開示の光量子コンピュータでは、図１２の検出器の１つのグループ３０３－１に明示されているように、光学遅延干渉系１０３からの干渉光の数と同じｍ個の検出器を備えていた。すなわち、干渉光を帯域分割して取り扱う際の、ｎ個の帯域の組の内の１つの組に対して、ｍ個の検出器が利用される。一方で、干渉光を時分割処理する図１６の（ｂ）に示した量子操作部によれば、光学遅延干渉系１０３からの干渉光の数ｍよりも少ない数であって、干渉光の数ｍに対応する数ｍ´個の検出器を備えれば良い。図１２の光量子コンピュータに適用すれば、ホモダイン検出ブロック３００の全体では、検出器の数は、ｍ´×ｎ個で良い。図１６の（ｂ）では単一の検出器を使いｍ´＝１なので、図１２のホモダイン検出ブロック３００における検出器の数は、帯域の組の数のｎ個（１×ｎ個）となる。

【0071】

図５の下側の図で説明したように、スクイーズド光においては、連続的な光として出力された光を時間的に区切り、区切った１つの波束（パルス）をそれぞれ量子ビットとして取り扱う。パルス状に区切って取り扱われるこのような量子ビットの性質により、図１５で説明したように、単一のスクイーザーから４つのスクイーズド光を生成することができる。同様に、複数の干渉光に対して、上述の図１６の時分割を使って複数の異なる干渉光の順次の検出が可能となることに留意されたい。

【0072】

以上詳細に説明しように、本開示の光量子コンピュータは、スクイーズド光源、光学遅延干渉系およびホモダイン検出器の様々な形態においても、スクイーズド光の帯域分割による優れた効果を発揮できる。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明は、光量子コンピュータに利用できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】