超伝導量子コンピュータの仕組みと研究開発をめぐる最新動向

中村 泰信 東京大学先端科学技術研究センター

理化学研究所創発物性科学研究センター

第19回情報セキュリティ・シンポジウム 2018年3月1日（木）

量子の発見 1900~

工学 ⇒ 物理学

量子力学

1910~ 原子模型 不連続スペクトル 1920~ 波動力学・行列力学 重ね合わせ 不確定性 1930~ コペンハーゲン解釈 波束の収縮・量子飛躍

量子情報科学 1980’s~

ファインマン 量子シミュレーション 1982 ドイチュ 量子アルゴリズム 1985 ショア 素因数分解アルゴリズム 1994 ショア 量子誤り訂正 1995

量子ビットと量子並列性

量子ビット

3量子ビット: 8状態

ビット

𝒏量子ビット: 𝟐𝒏状態

量子ゲート回路

例：量子位相推定アルゴリズム

⇒ Shorの素因数分解アルゴリズム etc.

超伝導量子ビット 1999~

電気回路上で重ね合わせ

原子と人工原子

I

LC共振回路 原子

~Å

= 人工原子

I

~mm

超伝導量子ビット

• 超伝導 ⇒ 低損失 • ジョセフソン効果 ⇒ 強い非線形性 • 巨視的サイズ ⇒ 電磁場と強く結合

デコヒーレンス要因

フォノン?

光子?

磁場揺らぎ?

電荷揺らぎ? 電子/核スピン?

トラップされた磁束?

電荷/ジョセフソンエネルギー揺らぎ?

準粒子トンネリング?

周辺回路モード?

超伝導量子ビットのコヒーレンス時間

W. D. Oliver and P. Welander, MRS BULLETIN 38, 816 (2013) MIT-LL

エネルギー準位構造最適化

表面・界面欠陥の影響希釈

表面・界面・誘電体の改善

高周波雑音シールド

非平衡準粒子対策

電荷ノイズの影響抑制

エコー・動的デカップリング

共振器による電磁場環境制御

Ancient dream

永久機関

⇒ 熱力学の法則

誤り耐性量子コンピュータ ＝永久量子機関

2D surface code for fault-tolerant QC

データ量子ビット 診断用量子ビット

Syndrome measurement protocol

誤り耐性量子計算：表面符号

エラー診断プロトコル 誤り耐性ゲートエラー閾値 𝒑𝐭𝐡～99.4%

世界の研究開発情勢

• UCSBの研究室を母体 • フリップチップボンディングによる集積化を展開

• 最近2×11=22ビット回路で実験中

• 49ビット集積化に取り組み中

９(=1×9)ビット集積回路 基本的量子誤り訂正実証 (2015)

Nature 519, 66 (2015)

https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/google-plans-to-demonstrate-the-supremacy-of-quantum-computing

https://www.ibm.com/blogs/research/2017/11/the-future-is-quantum/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=ibmq&utm_content=2050qubit

Since 2013

19ビット 実験

API公開

Chad Rigetti (YaleIBMRigetti Computing)

垂直統合ビジネスモデル－すべて自前で開発 約100名のチーム

量子計算ソフト開発に取り組むスタートアップは他にも多数。実験は寡少。

Ref: http://www.bizjournals.com/sanjose/news/2017/03/28/rigetti-quantum-computing-y-combinator-a16z.html

arXiv:1712.05771

https://www.bizjournals.com/sanjose/news/2017/03/28/rigetti-quantum-computing-y-combinator-a16z.html

超伝導量子アニーリングマシン

D-Wave 2000Q 2000量子ビット 最適化問題への応用を目指す コヒーレンスの要求度：低

状態配位

エネルギー

量子アニーリング

イジング模型 ← 組み合わせ最適化問題

量子コンピュータ 量子ネットワーク

量子シミュレータ 量子アニーリング

量子力学の原理（重ね合わせ・量子もつれ）に基づく新技術体系へ向けた世界的潮流

21世紀「量子情報革命」 ⇒ 超スマート社会（Society 5.0）を支える核心技術

量子情報処理

・・・ 光 原子 半導体 超伝導

「量子」を軸に 異分野技術融合

セキュリティ インフラ基盤

最適化問題・機械学習

大規模科学計算 材料・デバイス・化学 創薬・エネルギー

量子の 概念

量子力学 確立

量子力学 の応用

量子情報科学 黎明期

量子情報 技術応用

1900 2000 2050 1950

20世紀：量子力学の世紀

物理・化学・工学全般の基礎原理

21世紀：量子情報科学の世紀

革新的情報処理技術として表舞台へ

20世紀 量子力学の世紀 21世紀 量子情報科学の世紀