量子テレポーテーションはOptQCの最重要技術です。量子テレポーテーションの歴史は長く、理論的には1990年代に提案され、条件付き光量子テレポーテーションは1997年にZeilingerらのグループによって実証、翌年の1998年にOptQCの取締役で、ファウンダーでもある古澤明によって決定論的な光量子テレポーテーションが実証されました。

量子テレポーテーションという単語からはサイエンス・フィクション的な意味での「瞬間移動」が連想されますが、実際には瞬間移動とは異なります。量子テレポーテーションの概念は量子情報を複製できるかどうか、という問いかけによって生まれました。我々が普段目にしている情報（例えば、この文章）の複製はごく自然に行えるものですが、量子情報の複製は量子力学によって禁止されています。また、量子力学の世界では測定によって量子状態が古典情報に収縮してしまいます。この“波束の収縮”が発生してしまうと、量子情報は古典情報になってしまいます。そのため、量子情報を覗き、その結果に基づいて、同じ量子情報を複製することもできません。

量子テレポーテーションというのはこの量子情報を直接見ずに、離れたところで同じ量子状態を再構築するという技術です。これは見方によっては量子情報がある場所から消え、別の場所で現れることで「テレポーテーション」というように表現されます。量子情報を見ていないため、波束の収縮なども発生せず、量子情報としての性質がそのまま保持されます。この技術はさらに要素として分解すると「量子もつれ」、「ベル測定」、「フィードフォワード操作」となります。この3つの要素がほとんどの量子技術の基本になっており、量子テレポーテーションを制すれば、量子コンピュータを制するといっても過言ではありません。

OptQCの光量子コンピュータはこの量子テレポーテーションを元に各要素を発展させることで、大規模・高速、デジタルとアナログ情報を両方扱える光量子コンピュータを実現しようとしています。

量子もつれというのは複数の量子モード（連続量での量子ビットのようなもの）を分離して考えることができず、古典物理学（つまり我々の日常的な直感）で説明できないような関係性のことを指しています。この“分離して考えることができない”ということが重要なポイントで、例えば、我々が通常目にしている複数の物体では、接触したり、力を及ぼし合ったりしている間は確かに関係性がありますが、それがなくなった途端、それらの間には何の関係性もなくなります。一方、量子もつれでは、一度量子もつれという関係性が発生すると、外的要因（外乱やノイズなど）によって量子もつれが解消されない限りは、いくら離れても分離して考えることができず、全ての量子モードの情報が揃わなければ完全な情報が得られません。この量子もつれという概念は、あまりにも我々の日常的な感覚や古典物理学の考え方に反しているため、1935年にはEinstein, Podolsky, Rosenによって、量子力学そのものが不完全な理論であるという主張がなされました。彼らの主張から、量子もつれ現象はEPR paradoxと呼ばれました。量子もつれの存在は量子力学の根幹に関わるため、広く研究が行われ、量子もつれの存在は幾度も実験的に示され、現代ではその存在が認められています。

この量子もつれが量子テレポーテーションのキーとなります。図で表したように、2量子モードの量子もつれが生成されたとき、個々の量子モードのみでは完全な情報がなく、むしろノイズのような情報しかありません。しかし、両方の量子モードが揃うことで完全な量子情報が手に入ります。そのため、量子テレポーテーションでは、送信したい情報と量子もつれの片方を混ぜて、測定（後述するベル測定）することで、直接量子情報を覗くことなく、この量子もつれという強い関係性を経由して、入力の量子状態を出力に転送、すなわち量子テレポーテーションすることができます。

どの物理系でも量子もつれの生成は大きな課題です。というのは、量子モードを扱うためには、外界から隔離させ様々な制御が必要になるため、複数の量子モードを扱って強い関係性を持たせることが難しいためです。幸いなことに、光ではほかの物理系と比べれば圧倒的に量子もつれの生成がしやすく、量子テレポーテーションの図ではスクイーズド光と呼ばれる量子光源を部分透過ミラーで干渉させるだけで、決定論的に量子もつれを生成することができます。このスクイーズド光の生成や光の干渉を制御する技術はもちろん必要不可欠な技術ではありますが、比較的シンプルなシステムで量子もつれを実現できるのが光量子コンピュータの強みです。

OptQCではこの2量子モードの量子もつれのみならず、大規模な量子もつれを生成するための量子光源、干渉計の位相制御、量子もつれの測定など、量子もつれに関連する技術に熟知したコアメンバーから構成されています。

量子テレポーテーションでは、入力状態と2量子モードの量子もつれを用意し、入力モードと2量子モードの量子もつれの片方のモードを部分透過ミラーで合わせて、測定を行います。この一連の測定はベル測定と呼ばれます。この測定により、2量子モードの量子もつれの関係性を経由して、入力情報を覗くことなく、情報が伝達、すなわちテレポーテーションが実行できます。これは、量子もつれの片割れを見ても不完全な情報しか得られない、ということと関連しています。

量子ビットを用いた光の量子テレポーテーションでは、量子ビットでベル測定を行いますが、その測定は必ず成功するのではなく、一定の確率で失敗するため、条件付きのテレポーテーションしかできません。一方で量子モードを用いると、決定論的にベル測定を行うことができ、量子テレポーテーションが無条件に成功します。

ベル測定は2量子モードの量子もつれへの射影に対応して、その二つの測定器の測定結果に応じた様々な量子もつれへの射影に対応します。この量子もつれへの射影測定のシステム構成は非常にシンプルで、部分透過ミラーと二つのホモダイン測定器（バランス検出器とも呼ばれる）によって実現することができます。ホモダイン測定器は光通信などでも良く用いられる技術ですが、光通信分野では古典的な光を扱っており、高速通信が可能である一方低量子効率となっています。光量子コンピュータへ応用するために、高い量子効率と高速性を同時に実現する必要があり、世界的にこの技術を保有する機関は非常に限られています。

OptQCのメンバーは量子モードの量子情報を高精度・高速に読み出すためのホモダイン測定およびそれを用いたベル測定の技術を持ち、様々な量子状態、量子もつれを観測することができます。

量子テレポーテーションではベル測定の結果が得られた後に、その測定値に応じて変位操作が行われます。これはフィードフォワード操作とよばれ、ベル測定が測定値に応じて様々な量子もつれへの射影となるため必要となります。つまり、どのような量子もつれへ射影されたかによって、出力状態は入力状態そのものではなく、入力状態に測定値に応じた量子操作が施された状態になります。この余分な量子操作を除去することができれば、測定結果によらず、量子テレポーテーションが成功します。量子モードを用いた量子テレポーテーションが決定論的に実現できるのは、このフィードフォワード操作を実装することができるためです。

フィードフォワード操作は一見すると、その重要性が認知されにくいかもしれません。その理由は、この操作が基本的に古典的な値を古典計算器により処理しているだけに見えるためです。そのため、幾つかの実証実験では、実際にフィードフォワード操作を行わずに、ベル測定の測定値に対して条件付きな成功だけで良しとしてしまいます。研究レベルだとそれで問題ないかもしれませんが、量子コンピュータを実装する上ではそのようなやり方は許されません。また、このフィードフォワード操作は実は非常に重要で、例えば、誤り耐性型量子コンピュータでは量子コンピュータにどこに誤りがあるかという古典情報を手に入れてから、それをどのようにフィードフォワード操作して、元の量子状態に戻すのかが重要な課題です。しかも、様々な要素が発展していけば、このフィードフォワード操作が量子コンピュータ全体の計算速度を最も律速する要素になります。

OptQCのコアメンバーは量子テレポーテーションの研究に長年取り組んできました。その中で、世界中の誰よりもフィードフォワード操作技術と向き合い、フィードフォワード操作をどのように発展すれば光量子コンピュータを実現できるのかを理解しています。

量子コンピュータのプロセッサでは、入力の量子ビットや量子モードに対して量子操作（量子ゲート）を行い、その出力量子状態を測定します。量子プロセッサは物理系によってやり方が様々ですが、いくつか重要なパラメータがあります。一つ目は量子操作がどれほど正確に実行できるのかというパラメータです。このパラメータは量子ビットを用いた量子コンピュータでは量子ゲートの忠実度（Fidelity）として表現されることが多いです。もう一つのパラメータはどれだけの入力に対して、量子操作を実行できるかというパラメータです。こちらのパラメータの定義は単なる量子ビットや量子モードの数だけではなく、その量子ビットや量子モードの間にどれだけ相互作用させることができるのかも重要になります。例えば、相互作用できない100万量子ビットを所有していても、それは1量子ビットでできることと大差はありません。どれだけの入力を処理できるのかということを、スケーラビリティ（Scalability)という言葉で表現することもあります。

多くの量子コンピュータはこのスケーラビリティに対して苦戦しており、小規模な実証実験やアルゴリズムが実行できても、その方法論の延長線上に実用的な量子コンピュータがない場合が多くあります。このスケーラビリティの問題に関しては、光量子コンピュータでは他の物理系よりも早くから取り掛かってきました。というのも、現代の情報社会の膨大な情報のやり取りを支えている光通信の技術を光量子コンピュータに応用することによって、少数の素子で大規模な量子情報を扱えるようになります。光は周波数、時間、空間モード、偏光などの様々な自由度があってそれらの自由度を多重化し、大容量の情報通信で社会基盤を支えています。

OptQCでは、時間領域多重という多重化手法を用いて、大規模な量子計算を実現します。この手法では、光の量子情報を時間的に局在された光のパルスに収納し、それを順々に生成して量子プロセッサに入力し、さらに異なる時刻の光パルスを相互作用させるなどして、最終的に順次測定することによって量子情報を読み出します。本手法では必要な素子が少ない反面、次々と連続的に光のパルスの量子情報を処理しなければならないため、量子情報を高速に扱う必要があります。

OptQCのコアメンバーは時間領域多重手法と高速情報処理に早い段階から取り組み、この分野でのトップランナーであり続けています。

量子テレポーテーションを量子計算に応用するためには、量子テレポーテーションに用いる2量子モードの量子もつれを別のものに変えなければなりません。量子テレポーテーションでは量子もつれを経由して、入力がそのまま出力されるため、量子もつれはある種の量子情報処理の配線という見方ができ、入出力に必要な配線がされていれば、測定基底切り替え（後述）によってどのような量子操作も実装することができます。このような、任意の量子操作に必要な構造を持つ多量子モードの量子もつれは「2次元クラスター状態」と呼ばれます。

この2次元クラスター状態の前段階となる1次元クラスター状態は、2013年に横山翔竜らにより実現されました。そして2019年、OptQCの創業者の1人であるアサバナントワリットらにより、時間領域多重化手法を用いて、2次元クラスター状態が世界で初めて実現しました。その後、時間領域多重2次元クラスター状態の技術はさらに発展しており、世界的にもこのような量子もつれ状態を生成できるのはOptQCのメンバー以外ほとんどいません。

量子テレポーテーションではベル測定を行うことによって、入力状態と同様の状態を出力します。実はこのベル測定のやり方（専門的には測定基底と呼ばれる）を変えることで、入力状態と同じ状態ではなく、入力状態に測定基底に応じた量子操作が施されたものを出力することができます。この量子もつれと測定基底の変更による量子計算の方式は、測定誘起型量子計算と呼ばれており、2次元クラスターとこの測定基底切り替えを組み合わせて、量子プロセッサを実現するのがOptQCのアプローチです。時間領域多重の手法では、量子情報が光パルスとして順々にプロセッサに入力するため、この測定基底切り替えも光パルスの間隔に応じたスピードで切り替える必要があります。この切り替えの速度・精度・やり方そのものが光量子コンピュータの物理レベルのプログラミングに対応しており、非常に重要な技術です。

OptQCのコアメンバーはこの技術を世界で初めて実現し、さらに研究を続け、様々なノウハウを蓄積しています。