理研など、国産量子コンピュータを利用できるクラウドサービスを開始

理化学研究所(理研)、産業技術総合研究所(産総研)、情報通信研究機構(NICT)、大阪大学(阪大)、富士通、NTTの6者は3月24日、「量子コンピュータ」を2023年3月27日からクラウド公開し、外部からの利用を開始することを共同で発表した。

同成果は、理研量子コンピュータ研究センターの中村泰信センター長、産総研 3D集積システムグループの菊地克弥研究グループ長、NICT 超伝導ICT研究室の寺井弘高室長、阪大量子情報・量子生命研究センターの北川勝浩センター長(同・大学院基礎工学研究科教授兼任)、同・藤井啓祐副センター長(同・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兼任)、富士通量子研究所の佐藤信太郎所長、NTT コンピュータ&データサイエンス研究所の徳永裕己特別研究員らの共同研究チームによるもの。

今回公開される超伝導量子コンピュータでは、量子ビットを64個並べた64量子ビットの集積回路が用いられている。同装置には「2次元集積回路」と「垂直配線パッケージ」という2つの特徴があるという。

2次元集積回路の上では、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」で接続されている。また、正方形の中に「読み出し共振器」、「多重読み出し用フィルタ回路」などが配置されているという。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の作製が可能だ。今回の64量子ビット集積回路は、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とのことだ。

(左)量子計算を行う64量子ビット2次元集積回路チップ。(中央・上)4つの量子ビットからな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が配置されている。(中央・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画像。(右)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(出所:NTT Webサイト)

また、個々の量子ビットに対する制御や読み出し用の配線の取り回しにも工夫が施されているという。量子ビットと同じ平面上で配線を行う場合、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。そこで研究チームは、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垂直配線パッケージ方式を採用した。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済みだという。

垂直配線パッケージ。(左)垂直配線の概念図。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(出所:(左・中)富士通Webサイト、(右)NTT Webサイト)

これらの特徴的な2次元集積回路と垂直配線パッケージは、容易に量子ビット数を増やすことを可能にする高い拡張性を備えたシステム構成となっているとする。それにより、今後の大規模化に際しても基本設計を変えることなく対応することが可能だとしている。

量子ビットを制御するための信号には、マイクロ波の周波数(8～9GHz)で振動する電圧パルスが用いられる。しかし、量子ビットごとに異なる周波数のマイクロ波が必要となるため、今回は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、およびこれを用いて量子ビットを制御するソフトウェアが開発された。