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预计阅读时间：8分钟 近日，日本电报电话公司（NTT）、东京大学和日本理化学研究所联合开发了一项新技术，将最先进的商业光通信技术应用于光子学领域，并在美国科学期刊《Applied Physics Letters》上发表了论文，通过实现超越现有驻波量子计算机的行波系统，成功测量了世界上最快的 43 GHz 实时量子信号。1、将积累了巨大投资和技术的超高速光通信技术（5G技术）与光量子处理器融合，开发了一种加速光量子计算机的新技术。2、通过使用开发的“光参量放大器”，超高速光通信检测器可应用于量子测量，成功地在43 GHz 频段进行了世界上最快的实时量子测量。3、将其与5G技术之一“波分复用技术”（WDM）相结合，可以在不改变设备规模的情况下制作多核光量子计算机处理器，为实现超级量子计算机铺平道路。目前，安装在川崎市的“IBM Quantum System One”被称为日本具有代表性的量子计算机，但此次公布的技术有可能大大超过这一性能。作为项目负责人的东京大学Akira Furusawa教授表示：“未来，我想用这项技术取代IBM Q。” 图｜Akira Furusawa，东京大学工学研究科教授/RIKEN 量子计算机研究中心副主任、项目经理
除了量子计算机之外，这项技术还有可能用于提高传统计算机（称为遗留计算机）的性能。这项技术于2023年3月6日（美国时间）以“Toward a multi-core ultra-fast optical quantum processor: 43-GHz bandwidth real-time amplitude measurement of 5-dB squeezed light using modularized optical parametric amplifier with 5G technology”为题发表在美国科学期刊《Applied Physics Letters》上。与此同时，RIKEN就该技术进展召开了记者会，该公告由日本科学技术振兴机构（JST）联合签署，这项研究的一部分由日本科学技术厅 Moonshot 研究与开发计划资助。传统的量子计算机开发方式已经从“基于空间并行化和芯片微细化的经典计算机开发谱系”转变为“可并行化并按时间和波长加速的光通信系统谱系”。该技术有望为实现时钟频率超过 10 GHz 的高速量子计算做出巨大贡献。近年来，波分复用技术（WDM技术）是利用数字相干技术和大规模波长复用的超高速光通信技术之一(应用于NTT等通信运营商的骨干网。)，光量子计算机的处理器可以是多核的。目前的单核技术，硬件性能有限，但如果实现多核技术，就可以发展成为扩展性能的超级量子计算机。Akira Furusawa教授表示：“未来，我们的目标是实现结合 100 GHz 频带速度和 100 核并行性的超级量子计算机。”在这项研究中，提出了一种超级量子计算机，它使用成功开发的“光参量放大器”和可以在几十 GHz 的时钟频率下运行的多核量子处理器。它将通过将5G通信时代的超高速光通信技术与光量子计算机技术相融合来实现。 04. 实现“行波”量子比特而不是“驻波”量子比特量子计算机具有传统计算机无法实现的大规模并行计算能力，世界各国正在积极研发。人们已经提出了各种实现量子计算机的方法，但其中，利用“时域复用技术”实现大规模高速计算的测量诱导光量子计算机受到关注。这个演示的主要特点是它使用了所谓的“飞行量子比特”，即光子在其中高速飞行的“行波”量子比特，而不是以超导量子比特为代表的“驻波”量子比特。通过将这些行波量子比特排列在时间轴上，可以在不增加器件尺寸和元件集成度的情况下，增加运算性能的规模。 虽然海外也在进行“行波”量子比特的研究，但这次介绍显示，日本项目组是一把手。此外，该方法与光通信技术的亲和性高，具有可以在量子领域利用投入巨资开发的高可靠、高性能的光通信技术的优势。特别是通过利用 5G 和超 5G 通信骨干网中使用的“高速通信技术”，可以实现高速时钟频率下的量子计算。但是，并非所有在经典力学领域内发展起来的高速光通信设备都可以像光量子计算机一样使用。例如，不可能使用超过 100 GHz 的高速光通信探测器来测量光子状态。因为高速光通信探测器有很大的光损耗，这种损耗导致光子态崩溃。因此，传统上，有必要使用专门设计的低光损耗低速检测器进行测量。Akira Furusawa教授表示：“虽然我们在 2021 年成功地产生了太赫兹波段的量子光，但由于测量仪器的限制，我们无法充分利用该波段。”“光参量放大器”解决了这个问题。研究人员开发了一种在保留光子信息的同时放大光的新方法，并将迄今为止尚未应用的超高速光通信技术应用于光子领域。有了这项技术，实现充分利用光通信技术的高速和宽带特性的超级量子计算机的可能性就变得明显了。作为这方面的一个例子，研究人员提出了一种在光学参量放大后使用高速通信检测器高速测量信号的方法。 图｜(a) 使用传统光通信高速检测器的低效率、高速检测系统，(b) 使用为传统光子设计的高效、低速检测器的检测系统，(c) 有了这种技术，使用提出和证明的光学参量放大和用于光通信的高速检测器的高效和高速检测系统。 通过将光子态放大到不受光损耗影响的“经典”水平，该技术使光通信技术适用于光子领域。图｜使用直接键合周期性极化铌酸锂 (PPLN) 波导的光纤耦合光学参量放大器。在这项研究中，它被用作“量子”光放大器。利用光通信用43GHz探测器和实时示波器，研究人员测量了压缩光的幅度，从电压幅度值的直方图中，发现量子噪声压缩率约为65%。这一结果超过了光量子计算运行所需的最小量子噪声压缩（60%），意味着可以实现能够以比传统技术高 1000 倍的时钟频率运行的高速量子运算。图｜(a) 使用用于 43 GHz 频带光通信的高速检测器和实时示波器的测量结果，(b) 电压值直方图 研究结果表明，100 GHz 以上频段的高速光子计算成为可能。此外，还可以将已经积累了大量投资和技术的超高速光通信技术与光量子处理器融合，有望大大加快光量子计算机领域的发展。例如，未来将有可能使用光通信技术之一的波分复用 (WDM) 创建多核量子处理器。Akira Furusawa教授表示：“从现在开始，通过充分利用太赫兹级带宽这些技术，我们将实现具有 100 GHz 频段和 100 个多核的超级量子计算机，其运行速度甚至超过传统冯诺依曼计算机。”
未来展望中提出的100GHz 检测技术和利用波分复用技术实现100多核化的、可利用挤压光的10thz 频带的超级量子计算机的提案结构图这项研究基于日本科学技术厅的 Moonshot 研究和开发项目的 Moonshot 目标 6：“到2050年，实现容错通用量子计算机，显著推动经济、产业、安全保障的飞跃发展。”Akira Furusawa教授评论该研究表示：这种方法的光量子计算机需要高效率和高速的幅度测量。在传统方法中，为了实现高效率，牺牲了高速。由于它被放大为光信号，因此可以实现在不牺牲高速的情况下实现高效率。这使得建立实现43 GHz实时光量子计算机的基础技术成为可能。此外，如果结合光通信的波长复用，可以实现100个内核。因此，实现100GHz时钟/100核并行性的超级量子计算机现在已经指日可待，这是一个极具划时代意义的成就。-End- [1] https://aip./doi/10.1063/5.0137641[2]https://www./press/2023/20230307_1/index.html[3]https://t/jp/newsrelease/2023/03/06/230306b.html声明：此文出于传递更多信息。若有错误或侵权，请联系
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