NTTの“魔法の杖”が量子演算の未来を照らす：そのブレイクスルーを支える研究者たち

 

光量子コンピューターの高速化に向けた高速検出技術を研究しているNTT先端集積デバイス研究所の井上飛鳥。

研究グループのサブリーダーである柏﨑貴大。彼の希望がきっかけとなり、NTTが光量子コンピューターの研究開発にかかわり始めた。

光通信の技術を応用した新しい方式の量子コンピューターが注目されている。その中核にあるのが、NTTが研究を重ねてきた光情報通信の技術を応用したデバイスだ。研究開発に携わってきた研究者たちは、いかにしてその成功を支えてきたのか。

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2025.03.27 THU 09:00

TEXT BY KAZUYA NAGAO
PHOTOGRAPHS BY MASASHI URA

新方式の量子コンピューターを実現、世界に先駆けて汎用型光量子計算プラットフォームが始動──。そんな日本発のニュースが世界に驚きをもたらしたのは、2024年11月のことだった。理化学研究所量子コンピュータ研究センター副センター長で東京大学教授の古澤明らの研究グループが、光通信の技術を応用した量子コンピューターの開発に成功したのである。

古澤らの研究グループが開発したのは、ビットではなく光の波として連続的な量で表される光子を基にしたアナログ方式の光量子コンピューターだった。独自の計算プロセスを採用しており、量子の情報が量子もつれを介して伝わる量子テレポーテーションの繰り返しで計算を進める。

一般的に光量子コンピューターといえば超伝導方式に欠かせない冷却設備が不要で、ノイズへの耐性において光子以外を基にした場合よりも強みがある。こうした理由から、光量子コンピューターはスケーラビリティの高さが注目されてきた。

この光量子コンピューターの中核である量子光源の「光パラメトリック増幅器（OPA）」と呼ばれるデバイスは、光情報通信の技術研究を重ねてきた日本電信電話（NTT）が開発した。OPAは超高速通信向けの光デバイスを応用したもので、世界最高速度の光量子もつれの生成とリアルタイムな測定を実現している。こうした理由から古澤らの研究グループは、OPAを“魔法の杖”とも呼んでいるという。開発を手がけたNTT先端集積デバイス研究所に所属する井上飛鳥は、次のように語る。

「新方式の光量子コンピューターの開発に成功したことは、NTTがかかわる研究だからこそ成し遂げられた快挙と言えます。基礎としているのは、NTTに蓄積された光情報通信の研究に関する膨大な知見だからです。一方で、光量子コンピューターの研究開発で生まれた知見は、光情報通信に還元できます。NTTにとって光量子コンピューターの研究開発は、シナジー効果を見込めるテーマなのです」

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新しい光デバイスがもたらしたブレイクスルー

OPAは光量子コンピューターにおいて、その計算プロセスを実現するうえで欠かせないデバイスだ。OPAを通過した光は、特定の位相をもつ成分のみ振幅が増幅される。こうした作用が、いくつかのブレイクスルーをもたらしたのだ。

ひとつ目は量子もつれの高速生成である。光量子コンピューターでは、光の波を量子もつれ状態にしたのちに、ナノ秒ごとに繰り返されるピークをひとつずつ区切る──といった流れで、量子もつれの高速生成を実現した。つまり、光の波のピークの一つひとつが量子情報をもつので、周波数が高まれば一定時間あたりのピークの数が増え、量子もつれの生成スピードが向上する。OPAによって量子もつれ状態の生成スピードは1,000倍以上に高まったという。井上は次のように説明する。

「光量子コンピューターは、まとめて生成した量子もつれを測定のプロセスにおいて“壊して”いくことで計算結果を出力します。一方で、他の方式の量子コンピューターは、ひとつずつ量子もつれをつくりながら計算を進めていく流れです。こうした違いを比喩的に言えば、彫刻に例えられるでしょう。粘土の塊を削ることで形をつくるのが光量子コンピューターだとすれば、他の方式は粘土のパーツを組み上げるようなイメージですね」

光量子コンピューターが本領を発揮するには、量子もつれの生成スピードに光検出器の性能が追いつかなければならない。そこで、量子もつれ状態の光の検出プロセスにも、実は作用を反転させたOPAが使われている。量子的な光を“古典的な光”に変換することで、超高速通信向けにNTTが開発した光検出器を応用できるようにしたわけだ。これが、ふたつ目のブレイクスルーである。

「検出器のほかの部分を見ても、光量子コンピューターの構成要素は光情報通信とほとんど同じです」と、井上は語る。「デバイスの転用方法さえわかれば、開発効率がさらに向上するかもしれません」

“じゃじゃ馬”をならすような難しさ

さらに、OPAがもたらしたブレイクスルーには3つ目がある。

量子もつれ状態の光には“ゆらぎ”が生じており、これが計算結果の安定性を損ねる要因になりかねない。しかも、光量子コンピューターは膨大な数の量子を計算に利用するので、ノイズの増大が懸念されていた。

こうした懸念を払拭するために利用されているのが、スクイージングと呼ばれる現象である。OPAはスクイーズド光と呼ばれる量子性の強い光パルスを生成するが、この際にスクイージングと呼ばれる作用によって量子状態の“ゆらぎ”のひとつが圧縮される。この結果、より安定した演算結果につながるわけだ。

とはいえ、そこに到達するまでにはひと筋縄ではいかない苦労があったという。研究グループでサブリーダーを務める柏﨑貴大は、次のように説明する。

「スクイージングされた光の波は損失に弱いので、光の経路（導波路）の凹凸を可能な限り取り除く必要があります。僅かでも凹凸が残っていると光の損失が大きくなってしまいますから。肉眼では滑らかに見える表面でもナノサイズの凹凸が残っているので苦労しましたが、不純物の少ない材料を使うなどして光の強さを十分に保てるほどの滑らかさを実現できました。しかし、まだまだ改善できるはずです」

柏﨑によると、OPA内の光の経路にある凹凸を解消する試みは、かなり難しい。なぜなら、ダイヤモンドのように加工が困難とされるニオブ酸リチウムという結晶材料でつくられているからだ。この素材は簡単には削れないほどの硬度をもつ一方で、熱や圧力によるひび割れが生じやすい。課題を解決するには、ニオブ酸リチウムの加工方法から模索する必要があったのだ。「想定外の問題が頻発するので、ニオブ酸リチウムの加工は“じゃじゃ馬”をならすように難しいのです」と、柏﨑は苦労を振り返る。

NTTがかかわる意義

量子コンピューターの研究開発では多様な専門分野が交錯する。例えば、研究グループの井上は博士論文のテーマが半導体ナノ粒子の発光現象で、量子コンピューターについて学んだのはチームへの配属後だったという。「研究グループのメンバーは、最初の1年でそれぞれの役割を自分で決めていきます。その“屋号”と呼ばれる役割を決めることすら難しい状況でした。ようやく決まったわたしの屋号は、『検出を速くする人』なんです」と、井上は笑顔を見せる。

研究グループの柏﨑が学生時代に研究していたのは、ファイバー部材による光情報通信だった。量子コンピューターについて本格的に学んだのは、やはりNTTの研究員として働き始めてからだったという。「既存の技術ではエラーなしで情報通信できる容量に“壁”があることを学生時代に知りました。この壁を突破するには量子理論の応用が鍵を握るとされていたことから、量子コンピューターに関心をもったのです」と、柏﨑は語る。

実はNTTが光量子コンピューターの研究にかかわり始めたきっかけは、そんな柏﨑の希望が発端だった。研究グループの元々の主要なテーマは光情報通信向けのデバイスの開発で、光量子コンピューターは未知の領域だったという。

「ひとりの研究者として、社内の誰もがやったことのない領域に挑みたいと考えました。情報通信の進歩を切り拓くためにも、量子コンピューターをはじめとする量子理論の基礎研究にNTTがかかわる意義は大きい。そこで研究の必要性について上司に粘り強く直談判したのです」

こうした未知に挑む研究者たちの情熱によって、量子コンピューターの未来はさらに輝き始めた。

神奈川県厚木市にあるNTT先端集積デバイス研究所。遠くに丹沢山系に属する大山が見えるなど、自然が豊かな土地だ。

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