從原理上講，量子計算機能夠解決一些複雜的數學問題，而這些問題在常規的經典計算機上求解則要花費長得多的時間。然而，量子態固有的不穩定性阻礙了使量子計算機實用化和易於擴充套件規模的努力。

日本的研究人員近期開發出了一種可用於多種應用的光學量子計算機，他們稱這一特性使其成為世界上第一臺通用光學量子計算機。雖然特製的光學量子計算機已經問世多年，但通用型光學量子計算機一直是該行業的一個目標。

“之前的光學量子計算機是特定用途的裝置，比如玻色子取樣機和具有大約10個量子位元的小規模量子計算機，”理化學研究所量子計算中心光學量子控制研究團隊的負責人Hidehiro Yonezawa說道，“我們的量子計算機是一種具有100個模擬量子輸入、可靈活程式設計的量子計算機。”

該機器採用光子而非超導電子電路，超導電子電路是谷歌、IBM等公司首選的方法。據來自理化學研究所（日本最大的研究機構）、Nippon Telegraph and Telephone Corp.（其最大的電信公司）以及雲計算平臺Fixstars Amplify的研究人員稱，由於該計算機不使用超導體，所以能在接近室溫的條件下執行，不需要冷卻系統，並且能夠輕鬆擴充套件規模。

大多數量子計算機用量子位元（qubit）來衡量。經典位元（bit）的值要麼是0要麼是1，而量子位元可以是其中任何一個值，或者同時為兩者的混合態。和經典計算機位元一樣，光子可以有兩種狀態，即水平偏振和垂直偏振，但也可以存在於這兩種狀態之間的疊加態，即介於水平和垂直之間的狀態。

理化學研究所（Riken）的計算機使用一系列數值，如光的不同強度和相位，這些數值代表連續量而非離散狀態。這被稱為連續變數方法。它沒有明確使用量子位元，但它的計算能力仍然可以用等效的量子位元數量來衡量。

“它具有相當於1000個量子位元的計算能力，”理化學研究所光學量子計算研究團隊的負責人、東京大學教授Akira Furusawa在宣佈該機器時說道。

理化學研究所的這臺機器基於Yonezawa在2021年發表於《物理評論應用》的一項研究中所概述的方法。除了闡述連續變數方法外，該論文還討論了簇態（cluster states），這是一種大量粒子固有的量子組合（https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.16.034005）。

與量子位元一樣，光子可以透過諸如諧振器和移相器等裝置產生糾纏——以一種獨特的對計算有用的量子方式相連線。目標是建立一種許多量子位元或連續變數相互連線的糾纏態，從而形成所謂的簇態（cluster state）。然後，透過對簇態中的一些粒子進行審慎的測量來完成計算。

理化學研究所計算機所採用的連續變數方法“是獨一無二的，因為它能夠擴充套件到如此多的模式。他們能夠構建這些其他人無法構建的巨大簇態，而且他們能在室溫下完成構建，這對於構建實用且可擴充套件的系統來說是一個巨大的優勢，”伊利諾伊大學厄巴納 – 香檳分校的量子光學和量子資訊實驗學家Elizabeth Goldschmidt說道，“世界上只有少數人採用這種方法——這需要高技術含量的實驗工作和複雜的理論探討之間的緊密協作。”

連續變數計算機面臨的一個潛在挑戰是噪聲的累積，也就是說，這些干擾會影響脆弱的量子態。“噪聲會隨著每個計算步驟累積。雖然我們可以對累積的噪聲取平均來消除它，但可能需要多次操作才能做到，”Yonezawa說。好的方面是，重複相同的計算並對結果取平均可能就不需要傳統的量子糾錯了。

理化學研究所的計算機是一個基於雲的系統，遠端使用者可以訪問，並且有計劃在今年的某個時候開放使用。“透過讓他們的連續變數光子系統可透過雲訪問，理化學研究所已經完成了一件非常了不起的事情，”Ish Dhand說，他曾是加拿大創業企業Xanadu Quantum Technologies的架構團隊負責人，該公司的研究人員在2022年的一項研究中描述了他們如何利用光學量子機器實現量子霸權。新機器背後的團隊正在“將實驗室中多年來的卓越進展轉化為一個使用者實際可以訪問的實用平臺”(https://www.nature.com/articles/s41586-022-04725-x)。