4. 光量子コンピュータの種類

光量子コンピュータには、光のどの性質に量子情報を載せるか、どのように計算を進めるかによって、いくつかの種類がある。この章では、それぞれの種類の特徴を説明・比較したうえで、測定で計算が進む仕組みと、連続量方式の利点と弱点に着目する。

4-1. 離散量方式と連続量方式

光子の偏光や通る経路、到着する時刻などがとる二つの値に 0 と 1 を割り当て、量子ビットとして使う方式を、離散量方式と呼ぶ。たとえば偏光の縦と横に 0 と 1 を割り当てると、光子1個で量子ビット1個を表せる。

一方、光の振幅は連続的な値をとる。その連続的な値の重ね合わせを情報の単位として計算する方式を、連続量方式と呼ぶ。光の振幅を測ると、出てくる値は 0 と 1 の二択ではなく、連続的な範囲に散らばる。それでも状態が直接持っているのは各値の確率振幅であり、測定値の散らばり方はその絶対値の二乗として現れる。情報を担うのは、この値ごとの確率振幅である。

連続量方式で数える単位は、量子ビットではなく光のモードである。モードとは、光の場を周波数や進む向き、時間的な位置などで区別される独立な成分に分けたときの、一つ一つの成分を指す。読み出しにも違いがあり、離散量方式では光子を数える検出器を使うのに対し、連続量方式では光の振幅を測る検出器（ホモダイン検出）を使う。

4-2. 量子回路型と測定誘起型

計算の進め方にも複数の手段がある。量子回路型（回路型・ゲート型とも）は、量子ビットやモードに演算を一つずつ順に施して計算を進めるやり方である。離散量・量子回路型では、2つの量子ビットにまたがる演算が難しい。線形光学素子と光子の検出を組み合わせて確率的に実現する方法が 2001 年に提案されたが（Knill et al., 2001）、演算を重ねるほど計算全体が成功する確率が急速に下がる。連続量・量子回路型では、量子テレポーテーションを応用した演算を一つずつ施すことで、どの演算も毎回成功させられる。東京大学の武田研究室では、光のループで同じ光学素子を繰り返し使い、順に演算を施す方式が提案・研究され、一部が実証されている（Takeda & Furusawa, 2017; Takeda et al., 2019）〔→ 光響「光量子コンピュータ 開発の世界動向」セミナーダイジェスト〕。

測定誘起型（測定型・一方向量子計算とも）は、多数の量子ビットやモードを量子もつれでつないだ状態（クラスター状態）を先に用意し、それを順に測定しながら、測定結果に応じて後の操作を変えて計算を進めるやり方である。量子もつれとは、古典物理学では説明できない強い相関のことで、もつれた一方を測ると、もう一方の状態も変わる。測定誘起型では、計算の中身は測定の選び方で決まる。クラスター状態を作る装置はそのままで、測定の選び方を変えるだけで別の計算ができる。

光量子コンピュータの種類

4-3. なぜ測定が計算になるのか

普通、測定は計算の結果を読み出す行為であって、計算そのものではない。しかし量子の世界では測定が状態を変え、もつれた相手の一方を測ると、もう一方の状態も変わる。どの量を測るかを選ぶと、もう一方に加わる変化を選べる。つまり測り方を選ぶことが、残った光に施す操作を選ぶことになる。ただし測定の結果そのものはあらかじめ選べないので、結果に応じて後の操作を調整する（フィードフォワード）ことで、決まった計算になる。

量子テレポーテーションは、量子もつれを使って、ある光の量子状態を別の光へ移す手順である。送り手は、移したい光と、もつれた光の片方をまとめて測定し、受け手はその結果に応じて、もう片方の光を調整する。こうすると、元の光の状態が受け手の光に再現される。移す途中で測定の仕方を変えると、状態を移しながら操作を加えられる。連続量・量子回路型の演算は、こうしたテレポーテーションを一つずつ施すものである。

連続量・測定誘起型の計算は、このテレポーテーションを何段もつなげたものにあたる。多数の光をもつれでつないだクラスター状態は、あらゆる計算の筋道を重ね合わせた状態のようなもので、測定を繰り返して実行したい筋道を選び出すことで計算が進む、と見ることもできる。直接施すのが難しい操作も、その効果を持つ状態を前もって用意しておけば、測定とフィードフォワードだけで施せる。

4-4. 連続量方式の利点と弱点

連続量方式の利点は、量子テレポーテーションを使った演算が毎回成功することである。テレポーテーションに必要な状態の準備、測定、測定結果に応じた操作が、連続量ではどれも確率に頼らずに行えるからである。もつれた状態も必要なときに作れるので、光のパルスを時間方向に並べる方法と組み合わせて、大規模なクラスター状態を作れる（Yoshikawa et al., 2016; Asavanant et al., 2019）。

一方で弱点もある。理想的なテレポーテーションには無限に強いスクイージング（光の振幅の揺らぎを一方向だけ小さくすること）が要るが、実際のスクイージングは有限なので、演算のたびに誤差が加わり、少ないステップで量子情報が損なわれる。光の損失にも弱い。また、一部の演算（非ガウス演算）は光学素子の組み合わせだけでは実現できず、特別な補助の状態か、光子を数える測定が要る。

誤りに耐えて計算を続けるには、量子ビットを一つの光のモードに冗長に書き込む符号（GKP 符号など）を組み合わせる。スクイージングが一定の水準を超えれば、この方法で誤り耐性のある計算ができることが理論的に示されている（Menicucci, 2014）〔→ 6. 実用化の現状と残された課題〕。

4-5. 連続量・測定誘起型に着目する理由

この記事は以降の章で、連続量・測定誘起型を詳しく扱う。離散量方式や量子回路型、特定の計算に絞った装置（ガウシアンボソンサンプリングを行うものなど）も研究・開発が進んでいるが、以降の章では扱わない。理由の一つは、光は干渉と測定で多数のモードにまたがるもつれを作りやすく、光方式の提案の多くが測定誘起型を採っていることである。もう一つは、連続量・測定誘起型が、大規模化と誤り耐性への道筋を示していることである。時間方向に並べたパルスで大規模なクラスター状態を毎回確実に作れ、測定の選び方を変えるだけで別の計算ができ、誤り訂正の符号と組み合わせれば誤り耐性のある計算につながる。

国内でも、東京大学の古澤研究室を起点とする研究機関や企業が、この方式の計算機を開発している。光源からクラスター状態の生成、測定、それを動かすソフトウェアまでを一つの計算機にまとめ、クラウドを通して遠隔から計算を組み、実行できるところまで来ている（Yokoyama et al., 2025）。こうした計算機の中では、光の振幅に情報を載せ、スクイーズド光からもつれた状態を作り、測定と結果に応じた操作で計算が進む〔→ 5. 連続量・測定誘起型の仕組み〕。

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
  • Asavanant, W. et al. (2021). Time-domain-multiplexed measurement-based quantum operations with 25-MHz clock frequency. Physical Review Applied, 16, 034005. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.034005. arXiv:2006.11537
  • Bromley, T. R. et al. (2020). Applications of near-term photonic quantum computers: software and algorithms. Quantum Science and Technology, 5, 034010. DOI: 10.1088/2058-9565/ab8504. arXiv:1912.07634
  • Gottesman, D., Kitaev, A., Preskill, J. (2001). Encoding a qubit in an oscillator. Physical Review A, 64, 012310. DOI: 10.1103/PhysRevA.64.012310. arXiv:quant-ph/0008040
  • Govindankutty, A. (2026). A study of qubit modalities in contemporary quantum computing. Discover Quantum Science, 2, 28. DOI: 10.1007/s44464-026-00033-9
  • Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. (2001). A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature, 409, 46-52. DOI: 10.1038/35051009
  • Menicucci, N. C. (2014). Fault-tolerant measurement-based quantum computing with continuous-variable cluster states. Physical Review Letters, 112, 120504. DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.120504. arXiv:1310.7596
  • Takeda, S., Furusawa, A. (2017). Universal quantum computing with measurement-induced continuous-variable gate sequence in a loop-based architecture. Physical Review Letters, 119, 120504. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.120504
  • 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
  • Takeda, S., Takase, K., Furusawa, A. (2019). On-demand photonic entanglement synthesizer. Science Advances, 5, eaaw4530. DOI: 10.1126/sciadv.aaw4530
  • Yokoyama, S. et al. (2025). A full-stack analog optical quantum computing platform with one hundred inputs. arXiv:2506.16147（査読前）
  • Yoshikawa, J. et al. (2016). Generation of one-million-mode continuous-variable cluster state by unlimited time-domain multiplexing. APL Photonics, 1, 060801. DOI: 10.1063/1.4962732. arXiv:1606.06688
  • OptQC 株式会社「会社概要」（ウェブサイト。2026年10月閲覧）