京大ら,光子で3量子ビットのゲート操作を実現

京都大学の研究グループは,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た(ニュースリリース)。

近年、量子力学の基本的な性質を応用した「量子技術」が注目されている。光の素粒子である「光子」は,量子状態の保存性が良く,また長距離伝送が可能であることなどから,量子情報の有力な担体として研究が進められている。

これまでに,2つの光子間のゲート操作(2入力2出力ゲート素子)は実現されているが,現在その効率が限られており,その集積化の上で問題となってた。それを解決するとして,3入力3出力ゲート素子の実現が期待されている。

特に,制御スワップゲートと呼ばれる素子は,量子誤り訂正や,量子指紋認証など,様々な量子プロトコルに用いることができる。制御スワップゲート素子は,2入力2出力素子を組み合わせることで理論上可能だが,その場合,成功確率は10万分の1以下となり,実現は事実上不可能だった。

この問題に対し,2008年に光の干渉計を組み合わせることで,従来の500倍以上の効率(162分の1)で,制御スワップを実現する方法がFiurasekより提案されている。しかし,非常に複雑な光干渉の長時間安定化など技術的な困難が多数存在し,これまで実現していなかった。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現が報告されたが,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ない。

そこで研究グループは,Fiurasekが理論的に提案した方法に基づき,外部からの光量子ビットが入力可能な制御スワップゲート操作の実現に初めて成功した。実験にあたっては,複数の特殊な半透鏡が,1つの光学部品に集積されたハイブリッド光学素子を巧みに組み合わせることで,非常に複雑な光回路を長時間安定な光干渉計として実現するなど,技術的な課題を克服した。

この研究成果は,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もの。従来の2入力ゲートを組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できる。また,量子指紋認証など,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などが期待されるとしている。

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