光連続量量子誤り訂正符号の研究

• 研究課題/領域番号: 23KJ0498
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 国内
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 花村 文哉 東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)
• 研究期間 (年度): 2023-04-25 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 2024年度: 900千円 (直接経費: 900千円); 2023年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
• キーワード: non-Gaussian state

研究開始時の研究の概要

光連続量量子計算における量子誤り訂正を原理実証するため、実験及び理論の両面からアプローチを行う。実験においては、非ガウス型状態の生成、相互作用、測定、フィードフォワードといった基本的操作に重点を置き、単一光子状態などの単純な非ガウス型状態を用いた量子誤り訂正の原理実証や、非ガウス型ゲートの実装を行う。
一方で、理論面では、少ない非ガウス型リソースを用いた量子誤り訂正符号の考察や、実験におけるリソースの観点で最適化された非ガウス型ゲートの実装手法の開発を行う。

研究実績の概要

①単一光子状態を用いた誤り推定の実験: 単一光子状態を用いた誤り推定の実験を行った。理論予測通り、古典限界を超える精度での変位量の推定を実現できた。
②マルチモード非ガウス型ゲートの測定誘起型での実装に関する理論的な考察: 2つ目の成果として、マルチモード非ガウス型ゲートの測定誘起型での実装に関する理論的な考察を行った。
③共振器量子メモリを用いたビームスプリッタ相互作用の提案と実験: 非ガウス型状態同士の相互作用を高いレートで行うための手法を提案し、実験を行った。この手法は、共振器量子メモリを使用してビームスプリッタ相互作用を実現するものである。
④非ガウス型状態生成系の最適化に関する理論提案：量子情報処理において不可欠な非ガウス型状態を、ガウス型状態と光子数検出器を用いて生成する手法において、生成確率の向上と検出光子数の削減を行うことが出来る手法を提案した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

目標の一つであった単一光子状態を用いた変位の推定について、実験を行い、論文化することができた。それに加えて、GKP状態生成の実験や、マルチモード非ガウス型ゲートの実装に関する理論的考察を行うことができた。

今後の研究の推進方策

非ガウス型状態の相互作用をさらに高いレートで行うため、共振器を用いた量子メモリの実験を推し進める。

研究成果

• [雑誌論文] Logical states for fault-tolerant quantum computation with propagating light (2024)
  • 著者名/発表者名: Konno Shunya、Asavanant Warit、Hanamura Fumiya、Nagayoshi Hironari、Fukui Kosuke、Sakaguchi Atsushi、Ide Ryuhoh、China Fumihiro、Yabuno Masahiro、Miki Shigehito、Terai Hirotaka、Takase Kan、Endo Mamoru、Marek Petr、Filip Radim、van Loock Peter、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Science 巻: 383 号: 6680 ページ: 289-293
  • DOI: 10.1126/science.adk7560
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Single-Shot Single-Mode Optical Two-Parameter Displacement Estimation beyond Classical Limit (2023)
  • 著者名/発表者名: Hanamura Fumiya、Asavanant Warit、Kikura Seigo、Mishima Moeto、Miki Shigehito、Terai Hirotaka、Yabuno Masahiro、China Fumihiro、Fukui Kosuke、Endo Mamoru、Furusawa Akira
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 131 号: 23 ページ: 230801-230801
  • DOI: 10.1103/physrevlett.131.230801
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Towards All-optical Cavity-based Memory for Non-Gaussian Quantum State Engineering (2024)
  • 著者名/発表者名: Fumiya Hanamura, Kan Takase, Kazuki Hirota, Rajveer Nehra, Florian Lang, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Masahiro Yabuno, Fumihiro China, Takahiro Kahiwazaki, Asuka Inoue, Takeshi Umeki, Warit Asavanant, Mamoru Endo, Jun-ichi Yoshikawa, Akira Furusawa
  • 学会等名: CLEO 2024
  • 国際学会