大規模量子コンピューターに向けた量子ビット制御超伝導回路の原理実証に成功

開発の社会的背景

量子コンピューターは、特定の問題を既存のコンピューターよりも高速に解くことができる可能性を有します。このため、世界中の研究機関が量子コンピューターの実現に向けた研究開発を行っています。いくつかある方式の中でも特に、集積回路プロセスと相性の良い超伝導素子を用いた量子コンピューターの開発が活発に進められています。ただし実用レベルの超伝導量子コンピューターを実現するためには、膨大な数の量子ビットを冷凍機中の極低温下に集積する必要があり、その数は100万個ともいわれています。

大規模超伝導量子コンピューターの実現に向けた重要な課題の一つが、量子ビットの制御方法です。既存の制御方法では、冷凍機内の極低温下の量子ビット一つ一つに対して、冷凍機外の室温下で生成したマイクロ波信号を照射します。このため、量子ビット数に比例して、室温と極低温間のケーブル数が増加します。しかし、熱流入やスペースの観点から冷凍機内に実装できるケーブル数には上限があるため、既存の制御方法では、最大量子ビット数は1,000個程度に制限されます。実用レベルの大規模超伝導量子コンピューターの実現には、量子ビット制御のためのマイクロ波伝送経路の密度を高める回路技術が必要です。

研究の経緯

産総研は、次世代のコンピューターや検出器の実現に向けて、超伝導デジタル／アナログ集積回路を開発してきました。今回、超伝導集積回路の優れたエネルギー効率やマイクロ波技術との高い親和性に着目し、量子ビット制御超伝導回路の開発に取り組みました。

なお、本研究開発は、JST創発的研究支援事業「断熱超伝導回路による革新的量子ビット制御技術（2022～2028年度）」（JPMJFR212B）、JSPS科学研究費助成事業・基盤研究(S)「可逆量子磁束回路を用いた熱力学的限界を超える超低エネルギー集積回路技術の創成（2019～2023年度）」（JP19H05614）、JSPS科学研究費助成事業・基盤研究(S)「量子超越性を実証する超伝導スピントロニクス大規模量子計算回路の創出（2019～2023年度）」（JP19H05615）による支援を受けています。

研究の内容

図1(a)に、今回提案した量子ビット制御超伝導回路のブロック図を示します。この図は、3個の量子ビットにマイクロ波を照射する場合を示しています。本回路は、量子ビットと同じく極低温下に置かれ、超伝導共振器と超伝導ミキサ（本研究で提案）によって構成されます。室温からは、複数のマイクロ波（f1、f2、f3）が多重化された信号（多重化マイクロ波）と、パルス信号生成のためのベースバンド信号が入力されます。多重化マイクロ波は超伝導共振器によって分離され、超伝導ミキサが各マイクロ波とベースバンド信号からパルス状のマイクロ波信号を生成します。その結果、1つのマイクロ波入力（多重化マイクロ波）から、複数の量子ビット制御用マイクロ波信号（マイクロ波1〜3）を出力することができます。原理的には、室温と極低温を繋ぐケーブルは、量子ビット数によらず多重化マイクロ波とベースバンド信号の2本だけであるため、ケーブル数を劇的に削減することができます。ただし、超伝導共振器の損失によって多重化できるマイクロ波の数が制限されるため、1本のケーブルで制御可能な量子ビット数は、最大で数千個程度になると見積もられます。