中国の科学者たちは、小指の爪ほどの大きさのチップ上に光子都市を構築しました。

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

光のさまざまな自由度、さらには光の秘密の正体である量子状態まで操作できるとしたらどうなるでしょうか?

これはまさに光量子コンピューティングが約束する奇跡です。

これは単に超高速なだけでなく、低エネルギー、高帯域幅であり、「超光子脳」のように大量の情報を同時に処理することができます。

しかし、これらの光子を小さな光子量子チップに統合することは、光子都市を構築するようなものであり、非常に複雑な実験作業です。

しかし、良いニュースが来ました！

図1 超大規模集積光量子チップの物理的図

（画像出典：Nature Photonics） 参考文献 [1]

2023年4月、北京大学の王建偉研究員と龔其煌教授が率いる科学研究チームは、パートナーとの共同の努力により、超大規模集積光量子チップの製造上の困難を解決し、光量子状態を操作するための重要な技術を習得することに成功した。彼らは革新的な光量子チップ「Boya No. 1」を開発しました。

この「Boya No.1」光量子チップは、多光子技術を採用し、高次元の量子もつれ状態の作成と制御を初めて実現しました。これは光量子コンピューティングの分野における大きな進歩です。さらに、科学者たちは、この光量子チップ上でグラフ理論に基づくプログラム可能なボーズサンプリング量子コンピューティングタスクを実証することに成功しました。

この研究成果は世界トップクラスの学術誌「ネイチャーフォトニクス」に掲載されました。論文のタイトルは「超大規模集積量子グラフフォトニクス」です。これは光量子コンピューティングの分野における大きな進歩であり、私たちの将来の技術に対する大胆な想像力でもあります。

図2: Nature Photonicsに掲載された学術論文「超大規模集積のためのグラフ量子フォトニクス」

（画像出典：Nature Photonics） 参考文献 [1]

1. グラフ理論と光量子チップの出会い: 数学と物理学の「双方向の旅」

グラフ理論を研究している数学者と光量子コンピューティングを研究している物理学者の 2 人の科学者がいる研究室に入るところを想像してください。この組み合わせは、科学におけるパンとピーナッツバターのようなもので、予想外においしい結果を生み出す可能性のある強力な組み合わせです。

最初に数学者が話し、グラフ理論への愛に満ちた言葉を述べるかもしれません。彼はこう言うかもしれません。「グラフ理論は、複雑な世界を頂点と辺に単純化できる数学的な魔法のようなものです。各頂点が研究対象で、各辺が研究対象間の論理的な関係であると想像してください。都市を頂点に、道路を辺に例え、都市間の交通ネットワーク図を作成できます。」

物理学者はこれを聞くとすぐに目が輝きました。すると彼は興奮してこう言うかもしれません。「それは素晴らしい！光量子コンピューティングでは、同じようなことを行っています。光の粒子である光子を使って、量子情報の光子ネットワークを編み上げます。数学者が頂点と辺を使って複雑な世界を記述するのと同じように、私たちも光子とその量子干渉効果を使って光量子コンピューティングのネットワークを構築することができます。」

数学者と物理学者はお互いを見て微笑み、協力すれば奇跡を起こせると気づいた。 「光子のネットワークをグラフ理論のグラフに変換できるので、数学的なツールを使って光子の挙動を分析し、最適化することができます」と数学者は付け加えた。

図3 都市交通ネットワークの模式図

（写真提供：VEERギャラリー）

物理学者は嬉しそうにこう答えました。「はい！グラフ理論で最短経路を見つけるのと同じように、光子が特定の経路に沿って移動するように実験を設計できます。このようにして、光子都市を構築し、光子コンピューティングのまったく新しいソリューションを作成できます。」

そこで彼らは、グラフ理論の視覚化機能と光量子コンピューティングの強力な計算能力を組み合わせるために協力し始めました。彼らは「任意にプログラム可能なボーズサンプリング量子コンピューティング」という手法を考案した。これは光子に合わせて作られた光子交通ネットワークのようなもので、光子が最も効率的に光子都市を移動できるようにする。

2. ボーズサンプリング量子コンピューティング：複雑な光子トラフィックネットワーク

「ボソンサンプリング量子コンピューティング」は少し複雑に聞こえるかもしれませんが、実際には、特定の問題を扱う際に量子コンピューターが従来のコンピューターよりも大きな利点を持つことを示すことを目的とした量子コンピューティング モデルです。

具体的には、ボーズ サンプリング量子演算では、複数の光子 (ボソンの一種) を線形光ネットワークに送信し、これらの光子がネットワーク内で量子干渉を生成します。フォトニックネットワークにおけるこれらの光子の出力確率分布を測定するために、単一光子検出器を使用して出力ポートでの光子分布を検出します。

ボーズサンプリング量子演算の出力結果は非常にランダムであり、光子の数が増加するにつれて、計算された出力の確率分布は非常に複雑になることに注意してください。このため、従来のコンピュータを使用してボーズサンプリングプロセスをシミュレートすることは非常に困難であり、その難しさは光子の数に応じて指数関数的に増大します。対照的に、量子コンピュータはそのようなタスクをはるかに効率的に処理することができます。

図4 光量子チップ「Boya No.1」の光子ネットワークの模式図

（画像出典：Nature Photonics） 参考文献 [1]

「任意にプログラム可能なボーズサンプリング量子コンピューティング」をより直感的に理解するために、都市交通システムに似ているが、特に光子用に設計された、小さくて複雑な光子交通ネットワークを構築するものとして想像することができます。

この光子輸送ネットワークでは、光源は特別なバスターミナルのようなものです。これらは車のように光子を放出し、これらの光子車は互いに情報を相互接続することもできます。これらの光源は複雑な光子交通ネットワークに接続されており、光子車はそこを自由に移動できます。

「任意にプログラム可能なボーズサンプリング量子コンピューティング」により、コンピューティングのニーズに応じて光子車の走行経路を任意に計画し、光子交通ネットワークを最適化できます。それは、光子都市で A 地点から B 地点までの最適なルートを見つけるようなものです。さらに、科学者はこの光子交通ネットワークの特定の特性を測定することができます。これは、複雑な光子都市ネットワークで各光子車​​が駐車スペースを見つける方法がいくつあるかを計算することに似ています。

図5 光子都市を通過する光子の模式図

（写真提供：VEERギャラリー）

したがって、グラフ理論に基づく光量子コンピューティング実験では、実際にグラフ理論を使用してこのフォトニックシティを設計および理解します。グラフ理論は、交通マップのように、光子都市の交通を理解するのに役立ち、また科学者が光子交通ネットワークにおける光子の複雑な動作を設計および予測するのにも役立ちます。

3. 小さなチップ上に光子都市を構築する

オーストリアの科学者であり、2022年のノーベル物理学賞受賞者の一人であるアントン・ツァイリンガー教授は、グラフ理論と量子光学システムを密接に組み合わせた理論的枠組みを提唱した。このフレームワークでは、科学者はグラフ理論の視覚化特性と数学的ツールを使用して、光量子実験の計算プロセスを詳細に記述し、新しい量子現象を探索できます。

図6 光量子コンピューティングネットワークとグラフ理論の対応

（画像出典：Nature Photonics） 参考文献 [1]

この理論を検証するために、北京大学の王建偉研究員と龔其煌教授らが率いる研究チームは、小指の爪ほどの大きさしかない光子チップの中に光子都市を実際に構築した。このフォトニックシティには約2,500個の精密光学部品があり、グラフ理論に基づく光量子コンピューティングや情報処理が実現されています。

さらに、科学者たちは、大規模な光量子チップの設計、製造、制御、実験測定の課題を克服し、大規模な統合光量子チップ製造技術と量子制御方法を開発しました。これらの研究結果は、科学者が将来このようなフォトニック都市を大量生産し、特定のコンピューティングニーズに基づいてフォトニック輸送ネットワークをカスタマイズできるようになる可能性があることを示唆しています。

科学者が光量子チップ内に「高次元量子もつれ状態」と呼ばれる特殊な光子状態も作り出したことは特筆に値します。これは、通常の光子車を二階建てまたは多層の光子スーパーバスにアップグレードし、伝送中の光子の情報次元を大幅に拡張するようなものです。これらの光子スーパーバスは、量子もつれ状態を相互に共有することで情報の相互接続も実現できます。

4. 「Boya No. 1」はチップと量子技術にさらなる可能性をもたらす

前述のように、科学者たちは「Boya No. 1」光量子チップで目覚ましい成果を上げました。彼らは多光子高次元量子もつれ状態をうまく準備しただけでなく、それらの精密な制御、測定、検証も達成しました。これらの結果はグラフ理論の統一的な枠組みの下で検証されており、光量子チップがグラフ理論関連の量子情報処理および量子コンピューティングタスクを効率的に実行できることを証明しています。

図7 光子の量子状態の模式図

（写真提供：VEERギャラリー）

これはどういう意味ですか？

これは、グラフ理論に基づく大規模統合光量子コンピューティング チップに向けた重要な一歩となります。これは、微視的スケールで光子を正確に制御する能力を実証するだけでなく、大規模統合量子光学実験の実施可能性も証明します。これらの成果は、科学研究上の大きな意義を持つだけでなく、量子技術の商業化と大規模生産に向けた強固な基盤を築くものでもあります。

参考文献

[1] Bao J、Fu Z、Pramanik T、他。超大規模集積量子グラフフォトニクス[J]。ネイチャーフォトニクス、2023、17(7):573-581。