光量子コンピューターで開発競争に挑む
一光の特性が混戦を制する!
東京大学

武田俊太郎
「万能コンピューター」として過大な期待が寄せられ，研究者も当惑するようなフイーパーとなった量子コンピ
ューターだが，最近は徐々に落ち着きを見せており，いよいよその研究は「地に足のついた」フェーズに入ってきたように見える。
多様な方式が提案される中，我々が注目するのはもちろん光を用いた「光量子コンピューター Jだ 。 そ こ で 今回，光量子コンピューター研究のホープである東京大学准教授の武田俊太郎氏に話を伺った。ここでは難解な理論よりも，研究現場で組まれている光学系などに重点を置いてその概要を紹介する。 激 し さ を 増 す レ ー ス を 制 するのは誰か?その未来に期待したい。

一先生のご研究を紹介してください
量子コンビューターは経済や安全保障などにも関わるため，世界各国で活発に開発が行なわれていています。
いろいろある方式の中で一番メジャーなのは超伝導回路を 使 う 方 式 で ， 研 究 も 一 番 進 ん で い ま す 。 例 え ば google
や IBMと い っ た 大 手 の I
T企業や，日本では東京大学でも研究しています。超伝導は確かに一番進んで、いるポピ
ュラーな方式ですが，現状は小規模で計算ミスも多く，量子コンピューターの実現という遠いゴールを考えると
まだ 1~2 合目といった段階で.武田俊太郎(タケダ シュンタ口ウ)
東京大学 大学院工学系研究科准教授

他の方式にも十分チャンスがある状況です。
私はその中で光の量子コンピューターを研究していま

201
4年東京大学大学院工学系研究科博士課程修了(工学) 201
4年

すが，それは光量子コンビューターが実現するとオール~2017 年分子科学研究所特任助教および助教。 2017 年から東京大マイテイな量子コンピューターとなる期待があるからで

0

学大学院工学系研究科助教および特任講師を経て， 201
9年より現職。
これまで光を用いたさまざまな量子技術の研究に関わっており z 現在は独自方式の光量子コンピュータ開発に取り組んでいる。主な著景子コンビュータが本当にわかる!J(技術評論社， 2020年)，書に，i「新版量子光学と景子情報科学J(サイエンス社， 2020年)など。

す。オールマイティと言える理由はいくつかあります。
まずーっ日は，超伝導など他の量子コンピューターの方
式は，冷凍機や真空装置を使って特殊な環境にしないと動きませんが，光量子コンピューターは私たちが暮らし

178OPTRONICS (2023) No.
4

I
nterv
iew

加減乗 i
訟のような計:算 1種類をl図だけ行なう計算回路

研究室は温度を一定に保つと共に，定盤には嵐の影響を防ぐためのアクリル製のカバーが被せられているている室温大気中で動きます。物理的な制約がないので，小規模でも良く動くマシンができたら，それをどんどん目的の計算を実行するための
光協路

量子ピットの情報を載せた多数の光パルスは，一列に並んでループを周回1個の独自設計の計算回路(光量子プロセッサ)を，行なう計算の種類を変えながら繰り返し利用して，大規模な計算を行なう拡張して大規模化できると期待しています。
また，光は空間で情報を移動する唯一の量子なので，光量子コンピューターは，量子インターネットや量子通信といった未来の通信にも簡単に接続できます。もちろん光はとても周波数が高く，帯域も広いので，たくさんの情報を高速に処理できます。高クロック周波数で動く

従来の光量子コンヒ。ユーターのアブローチ(上)と，武田研究室が調発したループ型のアプローチ(下)光量子コンピューターが期待できるというのも一つ重要な点です。
光量子コンピューターは世界的に見るとマイナーな研子 l個の振動の向き，偏光の状態で. 0と1の重ね合わせを表せます。それを光回路で走らせて計算をします。

究領域でプレイヤーの数も多くないのですが， 日本は光私達の方式はちょっと違っていて，光の粒ではなくて，の量子分野に強い技術を持っていますし光通信や光フ光の波の性質に情報を載せようとしています。光は粒とァイパー関係などの光の技術にも強いので，量子コンピしての側面と同時に波としての性質も持っています。波ューターも日本に勝ち目がある分野なのではないかと期は振幅や位相といった連続的に値を持つ物理的な量を持待しています。こうして私は光量子コンピューターに着っていますので，そういうアナログ的な光の↑生質に，量目し，オリジナルの方式を考案して独自に開発する研究子の情報を埋め込んで処理をするというアプローチでをしています。

す。例えば波の振幅はマイナス無限からプラス無限まで連続的な値がとれますが，そこにしきい値を決めて，こ一先生の光量子コンビューターにはどんな特徴がありこからこの範囲だったら O. ここからこの範囲だったらますか?

lというように決めるやり方です。実はこのしきい値で光量子コンピューターにはいくつかの方法があって，デジタル化するという方法はノイズに強く，高効率に計

伝統的な光量子コンピューターは光子が主役です。光子

算処理ができたり，計算の途中でエラーが起きても，そをー粒準備して，その偏光，電場の振動方向を使うといれを効率良く直す優れた方法も発見されたりしている点

うのが一番やりやすい方法です。縦に振動していれば O.

も魅力です。

横に振動してれば1.のように決めてあげると，その光OPTRONICS (2023) No.
4

もう一つの特徴は，ルーフ。の光回路を使っていること

179Interview

い位置まで来ています。その次は量子センサーです。数年前に重力波の観測がノーベル賞を取りましたが，重力波は一辺数 kmの巨大な干渉計を用いて空間のゆがみを光で捉えることで検出されています。このような重力波のセンサーでは，スクイーズド光と呼ばれる量子の性質を制御した光を使うことで，より高い精度や感度が実現されています。これはある意味，量子センサーが実用化されていることを意味しています。もちろん身近に使える量子センサーはまだまだですが，量子コンビューターよりは圧倒的に必要な要素が限られているので，実用化に近い分野と言えると思います。
です。典型的な光量子コンピューターは光の量子ピットをたくさん並列に用意して同時に走らせますが，我々はーなぜ超伝導方式が量子コンピューターの研究をリーループ構造の中に光を時間的にずらしてたくさん蓄え，ドしているのでしょうか?

その中をぐるぐると回しながら， 1個の演算装置を繰り量子コンピューターに使う量子は自然界にあるものを返し使って計算をする，ループ塑の光量子コンピュータ使うことが多く，私の場合は光子を使いますし原子をーという構造を発見しました。これを使って計算しよう

使う量子コンピューターもあります。これらの量子は人というのが二つ目の重要な特徴です。

間が作ったものではなく，ある意味神が与えた量子ビッ
トと言えます。一方，超伝導の量子ピットは人工物なのーアプリケーション寄りの研究もされているそうですが ，で，作った量子ビットに欠点があると思ったら，電気回いち早く市場で、使っていきたいということでしょうか?

路の設計を変えることで克服できたりします。量子の性そうです。量子コンピューターの実現を山登りに例え

質自体を人聞が設計できるということがすごく大きなメ0合目，つまり頂上まで行かないと社会の役に立ると， 1リットです。光子や原子や電子の場合は，人聞がその性ちません。 9合目でも，やっぱりまだスパコンの方が速質を変えたりすることはできないので，その性質は受けいねっていうことになるからです。もちろん研究自体は入れたうえで，それでも適切に制御できるよう量子コン楽しみながらやればいいのですが，そこには予算も必要ピューターを設計しなくてはいけません。

です。研究を理解していただき，長い投資をしてもらうためには，今いる 1~2 合日から 10 合目まで世の中で何一超伝導方式に対する光のメリットとデメリットは何の役にも立たずに登っていくのは難しいと思います。光でしょうか?の量子技術は量子コンピューター以外にも，量子通信やまず，光は室温大気中で量子の性質を保つことができ量子センサーなどにも応用できるので，そういうところます。 温度がある環境では熱雑音がありますが，私たちを山登りの途中のチェックホ。イントとして究極のゴーが暮らす 20C位の室温が持つ熱ノイズよりも光子 1個のル，量子コンピューターを目指すのもありかなと思ってエネルギーの方が桁違いに大きいので，光子からするといます。

ほぼノイズの無いクリーンな環境に見えます。一方，超0伝導では量子ビット 1個分のエネルギーが小さく，室温一実用化が近いアプリケーションは何でしょうかつ光の量子技術の中で商用化に近いのは量子暗号です。

環境だとノイズに埋もれてしまうので，周囲を冷やして周りに雑音がないクリーンな環境にする必要があります。

量子暗号は光子 1個レベルの光で盗聴不能で安全な通信

それと，光子は空間を光の速度で進んで、いくのに対一し，を実現する技術ですが，すでに製品もあって商用化に近超伝導のーか所にずっととどまっている性質は，量子コ180

OPTRONICS (2023) No.
4I
nterview

ンビューターの作り方にも影響します。超伝導の量子コピューター競争で負けても，培った技術はそういったとンビューターは量子ビットがーか所にあって，そこに外ころで必ず使われます。そういう意味では光量子コンピから指令を送って計算をさせますが，光はずっと動いてューターはやりがいがある分野だと考えています。

いるので，その通り道に沿って部品を置くことで計算をしていきます。光は動くからこそ通信にも使えますし量子通信や量子インターネットといった分野は必ず光子が主役です。

ーよく比較されるビット数はどうでしょうか?
超伝導の最先端は IBMで 433量子ピットのマシンを発表しています。光は短いパルス 1個が量子ビット l個とな一方で、，光子は相互作用，より厳密に言うと非線形のりますが，私たちがやっている方式は現状のプロトタイ相互作用が苦手です。基本的に光子と光子が空間でぶつプだと最大で 3量子ビット相当しか扱えませんので，ビかっても，お互い何も影響も及ぼさずに素通りしてしまット数では全然かなっていません。ただ，我々の方式はう。お互いにあまり影響しないという意味でエラーが起

ループを大きくしていくだけで中の光のパルスの数が増こりにくいとも言えますが，量子コンビューターでは，やせるので，量子ビットの数は増やしやすい方式だと思二つの光子にうまく相互作用してもらい連携プレーで計っています。例えば現状のプロトタイプマシンだと，パ算をする必要もあります。光の粒の性質を使う伝統的なルスの間隔は 66ナノ秒です。その聞に光は 20mぐらい進光量子コンピューターだと，この相互作用を効率よくヲ l

むので，ループの長さは 20m X 量子ビット数，つまりパき起こすのは至難の業ですが，振幅と位相という連続的ルスの数になります。単純に考えると，例えば 1km位のな自由度を使った私達の方式では，相互作用に相当する

光ファイパーのループなら 50~ 100個ぐらいのパルスがものも結構簡単に実装できる方法が最近見つかっていま収まります。ただ，光ファイパーにも長さに応じたロスすので，これから試していく段階です。

があり，光子の量子ビットは途中でロスを受けて無くな

これに対して超伝導の場合，チップ上に量子ビットのると情報が壊れて直せないので，実際には光ファイパー回路パターンを置いて，その聞を線で繋ぐことで相互作の長さにも制約があります。そこで，光ファイパーを長用をコントロールすることができます。量子ピット間にくする代わりに， 66ナノ秒というパルスの間隔をー桁二簡単に相互作用を引き起こして， 2個の量子ビットの間桁縮めてパルス数を増やせる可能性は充分にあります。

で連携プレーのような計算がやりやすいと言えます。
ただ，光量子コンピューターは実現できればオールマ

一光源にはどんなレーザーを使っていますか?

イティになるという点と，先ほどのようにセンサーや通545nmの cwファイパーレーザーです。レーザ
波長 1信といったアプリケーションが多いので，万一量子コンー自体が持っている位相や振幅のノイズが影響を及ぼす

433霊子ビットプロセッサ flSMOspreyJ (出典:ISMHP)

光;原となる NKTフォトニクスのファイバ!ーレーザー

OPTRONICS (2023) No.
4

181

I
nterview

ので，そうしたノイズができるだけ小さいものを選んでインのチップがあって，そのチップを制御するためにいいます。具体的には，浜松ホトニクスが買収したデンマ

ろんな配線をしないといけません。その配線が室温にあークの NKTフォトニクスのレーザーを使っています。

るデバイスと繋がっているので，その大量の配線を繋げこの波長で量子の光の実験をする人たちはこのレーザーるのがすごく大変で、，ネックになっています。なので，を使っている人が多いですね。今作ろうとしているマシ

冷やさないといけないという制約はそういう意味でもす

545nmを使っていますが， Jつ前のプンは通信波長の 1ごく重いと感じています。

60nmでした。この波長帝は昔から光
ロトタイプでは 8子 1個が高効率に測れる半導体の光子検出器が結構簡単に入手できたからです。一方，通信波長帯まで波長が長レーザーからどのように単一光子を作り出すのでしょうかワ

くなると，光子 l個のエネルギーがどんどん小さくなっレーザーから光子 l個を作るには， PPKTPという非線て半導体の検出器はもちろん，他に測る技術もありませ形光学結晶を使っています。二次の非線形光学効果を持んでした。しかし最近は超伝導光子検出器によって，545つ結晶で， PPは周期分極反転構造です。最終的に 11.5μm付近の光子で、あっても非常にいい効率で測れるよ

nmの量子的な光，スクイーズド光を作るのですが，そうになりました。通信波長帯はファイパーとの相性も良のために二次の非線形光学効果を使います。ポンプ光と545nmを使っています。
いので，今は 15nmの光を入れてあげると周波数して半分の波長の 772，が半分，波長が二倍になる形でスクイーズド光が作られ，一検出器が超伝導とし、うことは冷凍機が必要ですね

ここから量子の世界が始まります。もう少し正確に言う

確かにそこの部分だけは必要です。超伝導量子コンピと，この結晶はシングルパスだと充分な変換効率が出な0ミリケルビンまで冷やす必要があるューターだと数 1いので，三枚のミラーで囲んで三角形型の共振器にするので，希釈冷凍機という馬鹿でかいドラム缶みたいな装ことで変換効率をヒげています。一光子を作ったり，量置を使うんですが，私たちが使っている超伝導光子検出子もつれを作ったりできるスクイーズド光は，量子研究器は数ケルビンぐらい冷えれば動作するので，装置自体において主役級の光です。

はそんなに大きくありません。しかも冷凍機に入れるのは検出器の部分だけで，実際に計算を行なうメインの部分はすべて室温大気中にあるので大きな負担ではありません。
超伝導の量子コンピューターの場合は冷凍機の中にメ超伝導光子検出器を冷却する冷凍機

182

一どんな光学素子でシステムを組んでいますか?
2m X1.5m のサイズで，振動を避けるために定盤は 4.

空気浮上式のものを使っています。室温は常に 23Cくら0いに保っていて，普段は空気の揺れを防ぐために，宝石

PPKTPと3枚のミラーからなる量子光源

OPTRONICS (2023) No.
4

Interview

LAYERTECのミラーの固定には安定性に定評があるファーストメカニ
カルデザイン (FMD) のマウントを使用①，③の偏光ビームスプリッ空と②の EOMで66ナノ秒ごとに透過率を;lとして機能する変えられる可変ビームスプリッ '庖のショーケースみたいに周囲に風防を付けていて，調を開発しました。縦偏光と横偏光の二つの光を，偏光ビ整やデータをとるときだけ外します。ミラーなどは 99.
9ームスプリッターで一つの軸に乗せ，それを EOMに通%以上反射するコーテイングのものをドイツのして電圧をかけると偏光を回転できます。縦横の偏光がLAYERTECに特注で、作ってもらっていますが，それでも同軸に乗った後に偏光を回しでもう一回縦横で分離する.
1%ぐらいはロスがあります j ただ現状だとミ
やはり 0と，二つの光が混ざって出てくるので， EOMの電圧をラーよりも透過型の部品，例えばレンズや EOM (電気66ナノ秒ごとに切り替えれば，ある意味透過率に相当す光学変調器)といった部品のロスの方が大きいですね。

る値を 2%ぐらいのロスで変えられます。私のループ方

1か所あたり高くてせいぜい 1%ぐらいのロスでも，シ式は時間的に切り替えるのがポイントなので， この仕組ステムのトータルで蓄積してしまい，現状では量子の世みによって低損失に 66ナノ秒ごとにいろんな計算が界のスタートから最後に測定するまでに 10%ぐらいはロ時々刻々と処理できることが大きな技術ポイントになっスがある感じです。ています。

できる限り設計を工夫してロスを減らしていますが，ちゃんと動く光量子コンピューターを作るとき，空間中一次のステップは何でしょうか?にミラーを置いていくようなスタイルでは限界が目に見私の光量子コンピューターは，最近シンプルなプロトえています。将来的には空間中に光を飛ばさない，可能タイプで簡単なデモ実験ができたという段階です。簡単な限り低損失で繋げたファイパーのシステムとして作るな計算はできますが，ロスの問題から複雑な計算は難しとか，光導波路のチップにする研究も感んにされていまいというのが現状です。その損失やエラーを減らすのはすので，その方がトータルの損失を減らせる可能性があもちろんですが，それも限界があるので，効率よくエラると思います。

ーが直せるようなエラー訂正の仕方を見つけるのも重要な課題です。

ループ型の実現に特に必要な技術はありますか?
ル」プ型の量子コンビューターは，足し算をして 66一実験装置などに注文はありますかっ

ナノ秒後に次のパルスが来たら今度は掛け算というよう内閣府のホームページに「量子技術イノベーション戦に，演算のタイプをパルスごとに切り替える必要があり略ロードマップ」というものがあります※。いろんな量ます。そのためにビームスプリッターの透過率や光の位相を瞬時に切り替えて，かっそれを低損失に行なう機構

OPTRONICS (2023) No.
4※https:
llww
w
8.
cao.
go.
jp/
cstp/
ryos
higijutsu/
roadmap̲220422.
pdf

1
83Interview

子コンピューターの今後何 10年のロードマップに，こ量子コンピューターのいくつかの代表的な方式においてういう技術が必要で， これぐらいの段階でこういうもの世界トップクラスの研究者がそろっており，同時並行でを作りたいというのが載っています。その光量子コンピ様々な方式の研究を進めていますので，ューターのロードマッフ。は私が作っていて，そこに今後があります。ただ，現状は人材の面で問題があると思っ必要になる物も書いています。量子コンビューターは低ています。いろんな量子分野の研究室や先生に大きな予損失である必要があるので，そうした結晶や，光導波路算がついて，新しい人を雇ってどんどん研究を進めたい回路，スイッチ，変調器，さらに光子検出器や光子数識のに，人がいなくて奪い合いになっています。逆に量子別器といった検出器も必要です。色々な企業さんから今分野の若手から見ると，そういった中間的で任期付きの後何が必要かとよく聞かれるので，是非それを見てくだ研究ポストはたくさんあるものの，最終目標として見据さい。

える任期のない魅力的な研究ポストは大学や研究所に劇ト分にチャンス

実験室に NTTが作ったデバイスがあるのですが，その的に増える状況にはありません。量子の研究に興味があ

デバイスは導波路型の結晶で， シングルパスでスクイーってもキャリアパスを描きにくいので，別の分野に行っズド光が出てきます。それがすごく優秀で、'今までよりてしまう人もいます。実際，量子分野の若手研究者にはスクイーズド光を簡単に作れますし光量子コンビュー優秀で成果をあげている方も多いのに，いろんな大学やターの処理の高速性にも貢献しています。置き換えてい研究所を任期付きの身分で渡り歩くことをす、っと繰り返

くだけで光量子コンピューターの性能がどんどんアップしていて，なかなか任期の無い身分になれないのは厳しデートされていくようなものなので，光が強いメーカー

い状況ですね。量子分野の優秀な人材を活かすとともに，さんも要素技術などで使えそうなものがあれば，ご検討次世代の人材を育てていくために，大学にもっと量子にいただけるとうれしいと思います。

関するポストや研究室が増えてほしいと思います。それと同時に産業界でも量子分野にチャンスを見出していた一海外の研究が先行する印象もありますが日本の現状だいて積極的に量子分野の優秀な人材を雇用してもらをどう捉えていますか?

い，量子分野の人材がいろんなところで活躍できるよう確かに主流の超伝導方式では米国や中固などが先行しになるといいと思っています。ていますが，勝負はまだ全く決まっていません。日本は

梅干しとひかりひかりがたりすと

体裁:A5判 約 200貰 定 価 :2，640円(本体2，400円+税)

ISBN:978‑4‑90231269‑0

発のオンライン書1葺

184

納谷昌之
同

http://shop~optronics， co.jp/

OPTRONICS (2023) No.
4