量子コンピュータに向けたハイエンドな国産超伝導ナノワイア単一光子検出器システムのフィールド実証に成功

大阪大学量子情報・量子生命研究センター、浜松ホトニクス株式会社（代表取締役社長: 晝馬 明）、国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT（エヌアイシーティー）、理事長: 徳田 英幸）は共同で、最大12チャンネルの超伝導ナノワイア単一光子検出器（SNSPD）システムを試作、フィールド実証を行い、国産化への道筋をつけました。2050年の実現に向けた内閣府のムーンショット型研究開発事業目標6のゴールである誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現へは、様々な方式の量子コンピュータが検討されていますが、量子コンピュータを実現するための重要な要素技術として、超高効率かつ超低暗計数が期待できるハイエンドなSNSPDシステムの実現が鍵となっています。このシステム内には、1つ1つの光子を検出する超伝導ナノワイア単一光子検出素子が多数に実装され、多チャンネルの光子検出システムとなります。今回は、NICTによって開発された超伝導ナノワイア単一光子検出素子を浜松ホトニクス株式会社で開発した超低温のSNSPDシステムに実装し、11個のSNSPDの動作を大阪大学において開発した量子もつれ光子対光源を利用して確認し、すべてのチャンネルが動作していることがフィールド（実際の使用環境）で実証されたものです。今後は、さらなる高性能化と多チャンネル化を進めて、量子コンピュータはもとより、量子ネットワークや量子センシングなどの量子2.0技術全般に貢献します。

本研究成果は、第83回応用物理学会秋季学術講演会にて、9月20日（火）9時15分（日本時間）に公開されます。（本講演会では発表内容に関する査読は一般には行われておりません。）

2050年前後に実現すると考えられている誤り耐性型汎用量子コンピュータは様々な社会課題を解決して、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させると期待されており、ムーンショット目標6として、その実現に向けた取り組みがなされています。この誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現に向けては、現在のスーパーコンピュータのように、システムを1つ1つのモジュールに分割して、それらをネットワーク状に接続してネットワーク型量子コンピュータとすることが重要と考えられています。ネットワーク化には量子コンピュータから光子を飛ばして量子情報を運び、量子テレポーテーションを使って量子コンピュータに量子情報を転送します。この量子テレポーテーションのために、高効率、低暗計数かつ多チャンネルの超伝導光子検出器が必要となります。このようなハイエンドな超伝導光子検出器は世界的に開発競争が行われており、いくつかの海外のスタートアップが製品化も実現しています。国内ではNICTを中心に約20年間研究開発が行われてきました。

今回、ムーンショット目標6のプロジェクトにおいて、最大12チャンネルの超伝導ナノワイア単一光子検出素子を実装可能なSNSPDシステムを浜松ホトニクス株式会社がNICTの協力を得て作製し、そのSNSPDシステムの11チャンネルそれぞれにおいて量子もつれ光子の検出を確認し、実際の量子ネットワーク実験で利用可能なことを大阪大学において検証しました。各チャンネルは良好に動作し、量子コンピュータのネットワーク化にも重要な量子もつれの検出に各チャンネルで成功しました。

これまで、ハイエンドなSNSPDシステムは欧米中露のスタートアップ企業からの輸入に頼っていましたが、今回の成果によって、国産化の可能性が見えてきました。2050年には実現するであろう誤り耐性型汎用量子コンピュータの重要な要素技術となり得ることはもちろんですが、その手前にもNISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum computer/device）と呼ばれる量子コンピュータにおいても重要な役割を果たすとともに、量子暗号通信、量子ネットワーク、量子センシングなど、今後期待される量子2.0技術の様々な場面で用いられることが期待されます。

超伝導光子検出器を国内で製造する民間企業はこれまでなかったのですが、今回は、国内企業がその製造に成功した第一例目になります。ムーンショット目標の達成には多くの高性能光子検出器が必要となりますが、その要求にも応えられる体制が整いつつあります。今後は、さらに性能向上し、ユーザーが増えることで製品としての魅力も増すことを期待しています。

今回開発した国産のSNSPDの11チャンネルの動作確認を行う有効な方法として、量子ネットワークで配信される重要な量子情報の担い手である量子もつれ光子対の評価実験を行いました。量子もつれから得られる情報は、量子力学特有の性質をもち、古典的には真似できないため、確実に量子力学の性質を捉えていることがわかります。図2のように、大阪大学大学院基礎工学研究科において開発したタンデム型type-II 疑似位相整合PPLN 導波路を利用した自発的パラメトリック下方変換（SPDC）により、偏光量子もつれ光子対発生を行います。この際、励起光は780 nmであり、発生した2つの光子は光通信波長帯である1540 nmと1582 nmになります。量子もつれ状態を確認するために、2つの光子の偏光を判別し、SNSPDにより光子検出を行います。この光子検出の情報を元に量子状態トモグラフィを行うと、2つの光子の状態を記述する密度行列が再現され、量子もつれの有無を判別することができます。11チャンネルのSNSPDを使って、10回の量子状態トモグラフィを行った結果が図3のグラフに示されています。どのチャンネルでも強い量子もつれが観測され、SNSPDが十分に量子力学の性質を実証できることが確認できました。