由日本理化学研究所量子计算机研究中心团队负责人古泽明（东京大学研究生院工学系研究科教授）、团队负责人米泽英宏、NTT高级特别研究员桥本俊和以及Fixstars Amplify公司社长平冈卓尔等组成的联合研究团队，成功开发出了全球首款通用光量子计算机。预计将于年内向合作研究人员提供云端使用环境。团队负责人古泽表示：“米泽和平冈是我2001年4月成立研究室时首批加入的本科生。所以特别感慨。虽然目前只供合作研究人员使用，但未来我们将打造出真正能在全球广泛使用的量子计算机”。
本次开发的光量子计算机（供图：理化学研究所）
联合研究团队成员在新闻发布会上。左起依次为Fixstars Amplify公司社长平冈卓尔、NTT高级特别研究员桥本俊和、日本理化学研究所团队负责人谷泽明和米泽英宏（供图：科学新闻社）
光量子计算机（测量诱导型量子计算机）需要生成大规模的量子纠缠，因此需要利用光的行进波特性和时分多路复用技术。
首先，由NTT开发的4个光参量放大器分别产生压缩光（量子光波动被压缩的光），通过50%反射分束器将这些光脉冲叠加，在两者间连续生成量子纠缠。之后，通过将两条光路分别给与一个光脉冲延迟和N个光脉冲延迟，使二者间的量子纠缠分配到不同的时间。同时存在的四个光脉冲的集合就是“宏节点”。由于光延迟对应N个脉冲周期，因此“宏节点”具有周期为N的构造。
在本次构建的系统中，生成了101个量子纠缠，并随着时间的推移沿时间轴延伸，因此理论上可以实现任意步长的计算步骤（线性运算）。光脉冲宽度设定为10纳秒，空间设置相当于3米，能够以相当于100兆赫兹时钟频率的速度进行线性运算。高级特别研究员桥本表示：“通过提高光参量放大器、光学测量系统和执行量子传达所需的反馈系统的整体精度，更大规模的计算将成为可能。我们目前正在进行各器件的开发”。
此次的光量子计算机的最大特点是这是一台模拟信号设备。
团队负责人古泽说：“高精度计算需要数字计算，但对于人工智能或神经网络中的应用，例如区分猫和狗等由人类大脑执行的计算，模拟计算已经足够。当前的生成式AI等技术会将模拟信号转换为数字信号，进行庞大计算，之后再转化回模拟信号输出，会耗费大量能源。在神经网络等存在模糊性的计算中，模拟计算具有优势。目前，我们会把光量子计算机作为模拟机使用，通过提高其精度，未来可以在输入输出端实现数字化转换，并具备纠错能力，使其成为既支持模拟运算又可执行数字运算的双重功能机器”。
为实现云计算，此次还将提供软件开发工具包。平冈社长说：“为方便非量子计算机领域的专家使用，我们开发了可以用python设计量子电路的软件。我们还将提供程序库资源。希望通过增加用户数量，扩大模拟量子计算机的应用范围”。
用户将设计好的量子电路发送到云端。完成用户认证后，云端会自动将量子电路转换为实机参数，并将任务发送至理化学研究所的光量子计算机实机，计算结果将通过云端返回给用户。
团队负责人米泽说：“今后，我们将增加使用案例的数量，同时进一步实现输入端口数量增加、超高速化、非线性运算引入和探索新应用领域等。目标是在2030年左右实现具有容错能力的大规模通用量子计算机”。
充分利用此次机会
目前，量子计算机有超导、中性原子、离子和硅等多种实现方法，但光量子计算机的研究人员相对较少。虽然需要签署联合研究协议，但提供基于云端的开发环境，是增加用户数量的一个重要机会。日本在光量子计算机领域处于世界领先地位，能否充分利用这一机会，将会对日本未来几年的竞争力产生重大影响。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
