3. 光量子コンピュータの利点と弱点

光量子コンピュータには、他の方式と比べたときの利点がいくつかあり、それぞれ光の性質から説明できる。一方で、光であるがゆえの弱点もある。

3-1. 光量子コンピュータとは

光量子コンピュータは、光の量子状態に情報を持たせ、光学素子と光の測定を組み合わせて計算する量子コンピュータである。他の方式と比べたときの光の利点は主に三つあり、主要部が常温で動作すること、光通信のために蓄積された技術を使えること、装置を大きくせずに計算の規模を広げられることである。一方で、損失に弱いこと、光を止めておけないこと、光子どうしが相互作用しないことが、光であるがゆえの弱点になる。

3-2. 常温で動作する理由

光量子コンピュータの主要部が常温で動作するのは、光の周波数が高く、常温でも熱によって生じる光子がほとんどないからである。ここでいう主要部とは、量子情報を担う光と、それを操作する光学回路のことである。他の多くの方式は量子状態を保つために極低温への冷却が要り、冷却設備を装置の中心に据えなければならないが、光方式にはその必要がない。

光の場は、周波数や進む向き、時間的な位置などで区別される独立な成分に分けて扱える。この成分の一つ一つをモードと呼ぶ。光が熱で乱されるかどうかは、モードごとの平均光子数（thermal photon number）$\overline{n}$
で決まる。周波数 ω のモードが温度 T の環境と熱平衡にあるとき、$\overline{n}$は

$$\overline{n}=\frac{1}{\exp (\frac{\hslash \omega }{k_{\mathrm{B}}T})-1}$$

となる。量子計算は光のモードの真空を出発点とするため、$\overline{n}$が十分小さいことが前提となる。$\overline{n}$が大きい場合は温度 T を下げる、つまり冷却する必要がある。

通信波長帯の 1550 nm の光では、ℏω を温度に直すと約 9,300 K で、常温 300 K でも $\overline{n}$は 10⁻¹⁴ 程度しかない。モードは事実上真空であり、冷やす必要がない。一方、超伝導量子ビットが使う 6 GHz のマイクロ波では、常温の$\overline{n}$は千個程度に達し、20 mK まで冷やしてはじめて 10⁻⁷ 程度になる。

ただし、光方式であっても装置全体が冷却不要になるわけではない。光子の個数を識別する検出器として用いられる超伝導転移端センサ（TES）などは、極低温を必要とする。

3-3. 光通信の技術を使える理由

光量子コンピュータが光通信の技術を使えるのは、光通信と同じ波長帯の光を使うからである。使われるのは 1550 nm 付近の通信波長帯、いわゆる C バンドである。そのため光ファイバーや変調器など、光通信で培われた部材と製造技術を装置に使える場合がある。東京大学の古澤研究室では、もともと 860 nm 帯で光の量子状態の実験を行っていたが、この波長帯では石英導波路中の損失が大きいことが課題になり、2019 年から通信波長帯で研究を行っている。光量子計算では光を長い光ファイバーに通して待たせることがあり、その損失を小さく抑えるにも通信波長帯が適している。

光は量子状態を別の物理系に変換せずに遠くまで運べるので、計算と伝送を同じ媒体で担える。このため、量子プロセッサを量子通信路でつなぐ量子ネットワークとの接続にも向く。ただし量子状態は複製できないため、古典通信のように途中で光を増幅して損失を補うことができない。

3-4. 装置を大きくせずに計算の規模を広げられる理由

光で装置を大きくせずに計算の規模（一度に扱える、量子情報を載せる単位の数）を広げられるのは、時間をずらして通る光のパルスの一つ一つに量子情報を載せ、同じ光路と光学素子を使い回せるからである。超伝導などの量子ビットを空間に並べる方式では、規模を広げることは素子を増やすことと同じである。素子を増やすには量子ビットごとに状態を操作する制御線と結果を読み出す配線が要るため、量子ビットを増やすほど配線も増え、それが規模を広げるうえでの制約になる。

光のパルスの一つ一つは別々のモードとして扱えるので、素子を増やさずに量子情報を載せる単位を増やせる。これを支えるのが遅延線である。遅延線は、鏡で折り返した長い光路や光ファイバーで、光のパルスを決まった時間だけ遅らせる。パルスの間隔と同じだけ遅らせると、前のパルスを後のパルスと同じ場所で出会わせ、同じ光学素子で干渉させられる。さらに、パルスを次々に作って測る構成なら、状態を長く保持しておく必要がないので、モードの総数は量子状態を保てる時間（コヒーレンス時間）に制限されない（Asavanant et al., 2019）。

このように時間方向に並べる方法は時間領域多重と呼ばれ〔→ 5. 連続量・測定誘起型の仕組み〕、光方式のいくつかの型で使われている。ただし、光を遅延線で待たせるほど損失は増えるので、規模を広げるうえでは素子の数ではなく損失が制約になる。

3-5. 光方式の弱点

一つ目の弱点は、損失に弱いことである。光は光源や導波路、検出器の中で失われ、この損失が光方式の主な制約になる〔→ 6. 実用化の現状と残された課題〕。

二つ目は、光を止めておけないことである。他の方式は量子状態をその場に保持できるが、光は進み続けるため、待機させるには遅延線が要り、待つほど損失が増える。

三つ目は、光子どうしが実質的に相互作用しないことである。そのため、2つの量子ビットにまたがる操作を、他の方式のように直接作ることが難しい。光方式では、直接の相互作用の代わりに、光の干渉と測定を使ってもつれを作り、その測定の結果に応じて後の操作を変える（フィードフォワード）ことで計算を進める。干渉と測定でどう計算を進めるかは、光のどの性質に情報を載せるかによって違い、光方式にはいくつかの種類がある〔→ 4. 光量子コンピュータの種類〕。

参考文献

• Asavanant, W. et al. (2019). Generation of time-domain-multiplexed two-dimensional cluster state. Science, 366, 373-376. DOI: 10.1126/science.aay2645. arXiv:1903.03918
• Govindankutty, A. (2026). A study of qubit modalities in contemporary quantum computing. Discover Quantum Science, 2, 28. DOI: 10.1007/s44464-026-00033-9
• Kashiwazaki, T. et al. (2020). Continuous-wave 6-dB-squeezed light with 2.5-THz-bandwidth from single-mode PPLN waveguide. APL Photonics, 5, 036104. DOI: 10.1063/1.5142437. arXiv:2004.02407
• Li, Z. et al. (2025). A TES single-photon detector demonstrating high-energy-resolution, high efficiency, and ultra-low dark counts near 0.9 Tc. APL Photonics, 10, 120802. DOI: 10.1063/5.0293495
• Takanashi, N., Inokuchi, W., Serikawa, T., Furusawa, A. (2019). Generation and measurement of a squeezed vacuum up to 100 MHz at 1550 nm with a semi-monolithic optical parametric oscillator designed towards direct coupling with waveguide modules. Optics Express, 27, 18900-18909. DOI: 10.1364/OE.27.018900
• Takeda, S., Furusawa, A. (2019). Toward large-scale fault-tolerant universal photonic quantum computing. APL Photonics, 4, 060902. DOI: 10.1063/1.5100160. arXiv:1904.07390
• Wehner, S., Elkouss, D., Hanson, R. (2018). Quantum internet: A vision for the road ahead. Science, 362, eaam9288. DOI: 10.1126/science.aam9288
• Yokoyama, S. et al. (2025). A full-stack analog optical quantum computing platform with one hundred inputs. arXiv:2506.16147（査読前）
• 東京大学 古澤研究室「導波路班」（研究室のウェブサイト。2026年10月閲覧）