日本理化学研究所（RIKEN）量子计算机研究中心的特别研究员阪口淳史、团队负责人古泽明（东京大学研究生院工学系研究科教授）等人组成的国际联合研究团队，首次实现了对光电场的非线性测量，这相当于在使用光在量子计算机中实现通用量子计算的非线性计算。阪口研究员表示：“通过利用光证明非线性，为通用量子计算机铺平了道路。此外，该系统还可以直接用于纠错”。此外，古泽团队负责人表示：“我们计划在今年内制作出光量子计算机的实体机”。该研究成果已刊登在《Nature Communications》上。
图1 所提出的非线性测量设置图（供图：理化学研究所）
红色是光信号路径，黑色是电信号路径。整个黄色区域用作非线性测量。光学延迟路径是根据非线性计算的延迟来延迟光信号的装置，计算越慢则距离越长，这就会导致退相干（量子态的信息丢失）如光损失或相位波动等。
在众多候选量子计算机中，光量子计算机具有能够在室温下运行、高速化，及与光通信高度兼容等优点。然而，由于量子操控通过连续测量量子纠缠态下的光来进行，因此只能进行光电场的加减运算和常数倍操作。为了进行任意计算，需要进行光电场之间的乘法运算，为此，非线性测量必不可少。
2001年提出了实现非线性测量的理论建议，但使用的是假设粒子。而研究团队于2016年提出了具体的设置方案。将待测光与辅助量子光进行干涉，测量两个结果中的一方，对另一方根据非线性计算值对测量结果进行动态相位旋转后再进行测量，从而实现非线性测量。
然而，非线性计算和光电路之间的同步是一大课题。例如，光在1000纳秒内传播约300米，如果用光缆延迟300米会增加误差并使同步变得困难。本次研究团队通过在可编程数字电路内的存储块中加入一个查找表（计算表），用于非线性计算，使其在2.67纳秒内读出计算结果。通过改变写入查找表中的计算表，可以在保持计算时间的同时改变计算类型。
图2 用于非线性计算的专用板（供图：理化学研究所）
为了抑制除了必要的电气元件以外的延迟，元件的布局也经过精心设计。
测量系统和控制系统的输入/输出信号均为模拟信号，需要经过转换才能输入/输出到数字电路，因此制作了专用板，将包括这些信号在内的合计延迟减少到26.8纳秒。
为了评估所构建的实验系统，研究人员通过输入27种不同强度和随机相位的216万种弱激光作为测量对象来验证输入光与测量结果之间的关系。结果表明，输入光的同相分量相对于测量仪器的基准相位与测量值的平方成正比，正交相位分量与测量值成正比。量子态变化的维格纳函数的理论预测保真度高于0.99，并且通过利用非线性压缩光作为辅助光子，降低了测量中的噪声，还证实了其降低量与理论值一致。以上结果验证了所构建的实验系统为目标的非线性测量。
本次非线性测量的成功将使之前光测量量子计算机无法实现的包括乘法在内的通用计算成为可能。此外，辅助量子光和非线性前馈的结合可以直接应用于容错计算。
古泽团队负责人表示：“计算机科学只有在拥有计算机实体机的情况下才能成立。为此，我们将制造光量子计算机的实体机，让更多的研究者和学生在云上使用，以促进量子计算机科学。量子计算机只能快速解决数量有限的问题，但无论什么样的计算，只要增加时钟数，就能提升计算速度。未来，我们的目标是利用光量子计算机的特性，实现100GHz、100核的超级量子计算机。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Communications
论文：Nonlinear feedforward enabling quantum computation
DOI：10.1038/s41467-023-39195-w
