富士通など、量子コンピュータを利用できる「量子計算クラウドサービス」開始

2023年03月24日 18時00分

Source: Fujitsu Ltd

国産超伝導量子コンピュータ初号機の公開

東京, 2023年03月24日 - (JCN Newswire) - 理化学研究所（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、産業技術総合研究所3D集積システムグループの菊地克弥研究グループ長、情報通信研究機構超伝導ICT研究室の寺井弘高室長、大阪大学量子情報・量子生命研究センターの北川勝浩センター長（大学院基礎工学研究科教授）、藤井啓祐副センター長（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）、富士通株式会社量子研究所の佐藤信太郎所長、日本電信電話株式会社コンピュータ＆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グループは、2023年3月27日に量子コンピュータ（注1）をクラウド公開し、外部からの利用を開始します。

本研究成果は、国内の量子計算プラットフォームの利用拡大に貢献します。量子力学の基本原理を計算・通信・計測といった情報科学・情報処理技術にも適用するため、量子情報を取り扱う技術の研究が世界中で進められています。理研は、2021年に量子コンピュータ研究センターを設立し、量子計算を実行する量子コンピュータの研究開発を進めています。

今回、共同研究グループは量子コンピュータによる量子計算プラットフォーム構築の一歩として、超伝導方式（注2）による国産量子コンピュータ初号機を整備しました。さらに、本機を用いて、インターネットを介して外部利用が可能なクラウドサービスを開始しました。当面は、ユーザは理研との共同研究契約を通じて利用手続きを行います。

大学を含む国内研究機関と企業との連携によって、今回の「量子計算クラウドサービス」は実現しました。本サービスは、研究開発段階における国内の量子情報の研究に関わる人材育成だけでなく、人材の受け皿となる、情報技術分野を基幹とした国内産業の発展ももたらすと期待できます。

背景

量子力学は20世紀初頭に誕生して以来、物理学の基礎理論として科学の広範な分野の発展に貢献してきました。特に、量子重ね合わせ（注3）、量子もつれ（注3）などの特有な現象は、現代の科学技術の発展に不可欠な要素となっています。しかし、20世紀の終わりから急速に発展してきた量子情報科学の観点では、人類は量子力学をまだ完全に使いこなせていません。そこで、量子力学の基本原理を計算・通信・計測といった技術分野にも適用して、従来の技術にない高度な性能を引き出すための研究開発が世界中で進められています。

理研においても、2001年に蔡兆申博士（現量子コンピュータ研究センター超伝導量子シミュレーション研究チームチームリーダー）の率いる巨視的量子コヒーレンス研究チームが発足し、量子情報科学に関わる研究が開始されました。その後、さまざまな研究者が参画しながら研究を発展させ、2021年には中村泰信博士の下、量子コンピュータ研究センターへと発展しました。

量子コンピュータ研究センターでは、超伝導方式による量子コンピュータだけではなく、古澤明博士（量子コンピュータ研究センター副センター長、光量子計算研究チームチームリーダー）らが取り組む光方式、樽茶清悟博士（半導体量子情報デバイス研究チームチームリーダー）らが取り組む半導体方式、さらに真空中の原子を用いる方式といった、さまざまな物理系に基づくハードウェア研究を行っています。また、量子計算理論、量子アルゴリズム、量子アーキテクチャなどのソフトウェア研究も同時に進められており、量子コンピュータ分野における広範な研究開発を行っています。

2021年に、富士通株式会社と共同で量子コンピュータ研究センター内に「理研RQC-富士通連携センター」を設立しました。両者が保有するコンピューティング技術や量子技術の応用に関する知見を統合し、2023年度中に産業への適用に向けた超伝導量子コンピュータを公開するための研究開発にも取り組んでいます。本連携センターで得られた知見は、今回公開する超伝導量子コンピュータにも活用されています。

研究手法と成果

今回公開する超伝導量子コンピュータでは、量子ビット（注4）を64個並べた64量子ビットの集積回路が用いられます。本装置には「2次元集積回路」と「垂直配線パッケージ」という二つの特徴があります。

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」で接続されています（図1右上）。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ます。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ます。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ます（図1）。

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必要になります。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ためです。そこで、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ました。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しています（図2）。

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ます。これにより、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できます。

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ます（図3）。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、共同研究グループ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を開発しました。

今回、理研はこの超伝導量子コンピュータをどこからでも利用できるよう、「量子計算クラウドサービス」を提供します（図4）。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・技術者でも利用申請が可能です。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います。ユーザは理研外のクラウドサーバーに接続することで、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ます。

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（図5）の高密度化など、さらなるシステム開発を進めています。また超伝導量子コンピュータをNISQ（注5）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、ユーザのニーズなどを踏まえ、公開装置についてもさらなる高度化に向けた必要な研究開発を進めていきます。

今回の量子計算クラウドサービス公開を通じて、量子ソフトウェア開発者や量子計算研究者および企業開発者との協力を深めることで、量子コンピュータ研究開発を一層加速します。

今後の期待

量子コンピュータの開発は、固体素子初の量子ビット実証から、現在まで20数年で発展を遂げてきました。しかし、従来の半導体集積回路を用いたコンピュータのように、どこでも自由に使えるようになるには、まだ長い開発期間が必要です。今後、拡張性の高い集積回路（図6）を主要技術として、100量子ビット、1,000量子ビットといったマイルストーンを達成していく予定です。また、将来的に大規模量子コンピュータを実現し、社会実装するために、100万量子ビット級の集積化の技術開発、エラー訂正・誤り耐性量子計算（注6）の実現を探求していきます。

本リリースの詳細は下記をご参照ください。
https://pr.fujitsu.com/jp/news/2023/03/24.html

概要：富士通株式会社

詳細は http://jp.fujitsu.com/ をご覧ください。

Source: Fujitsu Ltd
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