国産超伝導量子コンピュータ初号機が本格始動、クラウド公開で外部利用が可能に：量子コンピュータ

理化学研究所、産業技術総合研究所、情報通信研究機構、大阪大学、富士通、NTTの共同研究グループは2023年3月27日から国産超伝導量子コンピュータ初号機をクラウドに公開し、外部からの利用を開始すると発表した。

[朴尚洙，MONOist]

　理化学研究所（理研）、産業技術総合研究所（AIST）、情報通信研究機構（NICT）、大阪大学、富士通、日本電信電話（NTT）の共同研究グループは2023年3月24日、同月27日から国産超伝導量子コンピュータ初号機をクラウドに公開し、外部からの利用を開始すると発表した。量子コンピュータの規模を示す量子ビットの数は64で、今後は100量子ビット、1000量子ビットといったマイルストーン達成に向け研究開発を続けていくという。

理研などの共同研究チームが開発している国産超伝導量子コンピュータ初号機 出所：理化学研究所

　今回の量子コンピュータを開発したのは、理研 量子コンピュータ研究センター センター長の中村泰信氏、ASIT 3D集積システムグループ 研究グループ長の菊地克弥氏、NICT 超伝導ICT研究室 室長の寺井弘高氏、大阪大学 量子情報・量子生命研究センター センター長の北川勝浩氏（同大学 大学院基礎工学研究科 教授）と同センター 副センター長の藤井啓祐氏（同大学 大学院基礎工学研究科 教授、理研 量子計算理論研究チーム チームリーダー）、富士通 量子研究所 所長の佐藤信太郎氏、NTT コンピュータ＆データサイエンス研究所 特別研究員の徳永裕己氏らの共同研究グループである。

「2次元集積回路」と「垂直配線パッケージ」

　今回公開する国産超伝導量子コンピュータ初号機は「2次元集積回路」と「垂直配線パッケージ」という2つの特徴がある。

　「2次元集積回路」では、正方形に並べられた4個の量子ビットがそれぞれ隣り合う量子ビットをつなぐ「量子ビット間結合」で接続されており、さらに正方形の中に「読み出し共振器」や「多重読み出し用フィルター回路」などが配置されている。この4量子ビットからなる基本ユニットを2次元に並べることにより、量子ビット集積回路を作ることができる。今回の64量子ビットの集積回路は、16個の機能単位から構成され、2cm角のシリコンチップ上に形成されている。

（左）64量子ビット2次元集積回路チップ。4量子ビットからなる基本ユニットを16個並べた設計。（右上）4つの量子ビットから成る基本ユニットの模式図。正方形四隅に量子ビットが並び、中央に読み出し回路を配置している。（右下）量子ビットを構成するジョセフソン接合部分の電子顕微鏡写真［クリックで拡大］ 出所：理化学研究所

「2次元集積回路」は拡張性の高さも大きな特徴になる。4量子ビットで構成される基本ユニットを平面上に周期的に並べることで、集積化された量子ビットの数を増やすことができる。64量子ビットをさらに4×4に並べて、1024量子ビットにした将来予想図も描いている［クリックで拡大］ 出所：理化学研究所

　量子ビットと同じ平面上で個々の量子ビットに対する制御や読み出し用の配線を行う場合、チップ内に並ぶ量子ビットの数に対して、配線を外部へ取り出すための辺の長さが不足してしまうという課題がある。この配線を効率良く取り回すため、2次元平面に配置された量子ビットへの配線をチップに対して垂直に結合させるのが「垂直配線パッケージ」である。さらに、量子ビット集積回路チップへの配線を一括で接続できる配線パッケージも開発しているという。

（左）垂直配線パッケージの概念図。量子ビットに対する制御／読み出し用配線が信号用コンタクトプローブを介してチップに対して垂直に接続される。この配線を通してマイクロ波信号の送受信が行われる。（右）量子ビット集積回路チップが装着された配線パッケージ［クリックで拡大］ 出所：理化学研究所

　超伝導量子コンピュータは、量子ビットを制御するための信号として8G〜9GHzのマイクロ波の周波数で振動する電圧パルスを用いるが、量子ビットごとに異なる周波数のマイクロ波が必要になる。そこで、高精度で位相の安定したマイクロ波パルス生成が可能な制御装置と、これを用いて量子ビットを制御するソフトウェアを開発し、国産超伝導量子コンピュータ初号機に適用した。

量子ビット制御装置［クリックで拡大］ 出所：理化学研究所

　この国産超伝導量子コンピュータ初号機をどこからでも利用できるようにするのが、2023年3月27日から提供を開始する「量子計算クラウドサービス」である。量子計算などの研究開発の推進／発展を目的とした非商用利用であれば、いずれの研究者／技術者でも利用申請が可能だ。ただし当面は、理研との共同研究契約を通じて利用手続きを行う。ユーザーは理研外のクラウドサーバに接続することで、超伝導量子コンピュータへのジョブ送信や計算結果の受信を行うことが可能となり、共同研究の目的に合致した用途であれば、超伝導量子コンピュータを利用することができるとしている。

「量子計算クラウドサービス」へのユーザーアクセスの概念図［クリックで拡大］ 出所：理化学研究所

　共同研究グループは、さらに多くの量子ビットでの量子計算動作を可能にするため、希釈冷凍機内の配線の高密度化など、さらなるシステム開発を進めている。また、国産超伝導量子コンピュータ初号機をNISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum：ノイズあり中規模量子デバイス）応用プラットフォームのテストベッドとして提供しつつ、ユーザーのニーズなどを踏まえて、現在の64量子ビットからさらなる高度化に向けた必要な研究開発を進めていくとしている。

64量子ビット超伝導量子コンピュータ用の希釈冷凍機内の配線。中央の円筒型磁気シールド内に64量子ビット集積回路チップを入れ、制御配線・読み出し配線を接続する。運用時にはチップ周辺を約10mK（約-273℃）まで冷却する必要があるため、全体を真空断熱容器の内部に収め、希釈冷凍機で冷却する 出所：理化学研究所

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