株式会社日立製作所(以下、日立)は、シリコン量子コンピュータ*1の実用化に向け、量子ビット*2を安定化できる量子ビット操作技術を開発し、量子ビットの寿命(量子情報保持時間、または量子コヒーレンス*3)を100倍以上延伸できることを確認しました。
量子コンピュータによって実用的な計算を可能にするためには、100万量子ビット以上の規模が必要とされており、量子ビットの大規模集積化や、量子ビットを効率的に制御する技術、さらに誤り訂正*4の実装が鍵になると言われています。日立が研究開発を進める「シリコン量子コンピュータ」は、量子ビットの大規模集積化に有利と期待される一方、半導体中の核スピン*5などがノイズとなり、量子ビットが不安定になりやすく、量子アルゴリズム*6や誤り訂正の実装が難しいという課題がありました。
このたび開発した技術は、量子ビットの操作に用いるマイクロ波の位相を変調することで、半導体中のノイズを一部無効化(キャンセル)し、量子ビットを安定化させ、寿命を100倍以上延伸することを可能にするものです(図1下)。本成果は、量子ビットの大規模集積化に加え、量子アルゴリズムや誤り訂正の実装に向けた大きな一歩となるものであり、今後も本研究を加速し、量子コンピュータの早期実用化をめざします。
なお、本成果の一部は、2024年6月16日から20日に米国ハワイ州で開催される「2024 IEEE Symposium on VLSI Technology & Circuits」で発表予定です。
![[画像]図1 上 : 従来手法による量子ビット操作結果(ノイズにより量子ビットのスピンが不安定となる)下 : 本手法による量子ビット操作結果(ノイズの影響が軽減され、安定動作が可能になることで量子ビットの寿命が延伸)](https://newsfile.futunn.com/public/NN-PersistNewsContentImage/7781/20240617/0-c5ea718a134d94a7931c2c0d27fd8ba9-0-44a9c7f024b6e09a7f13fe192a7bbd1e.jpg/big)
図1 上 : 従来手法による量子ビット操作結果(ノイズにより量子ビットのスピンが不安定となる)
下 : 本手法による量子ビット操作結果(ノイズの影響が軽減され、安定動作が可能になることで量子ビットの寿命が延伸)
- *1
- シリコン量子コンピュータ: シリコン内の電子スピンを量子ビットとして用いる方式の量子コンピュータ。
- *2
- 量子ビット: 量子コンピュータで利用される情報の最小単位。量子力学の重ね合わせの原理を利用して、0と1が重なり合った状態を表現することが可能。
- *3
- 量子コヒーレンス: 異なる量子状態の間の「量子重ね合わせ」の度合い。量子ビットの寿命を表す指標となる。
- *4
- 誤り訂正: 量子計算の過程で発生する誤りを訂正する技術。一つの論理量子ビットを複数の量子ビットで表現し(冗長化)、その冗長量子ビットを利用して誤りを検出・推定する。
- *5
- 核スピン: 原子核が持つスピン。電子スピンを量子ビットとして用いる場合、核スピンが相互作用して量子ビットの不安定化の原因となる。
- *6
- 量子アルゴリズム: 量子コンピュータ特有の計算アルゴリズム。通常のコンピュータでは実用的な時間で解くことのできない問題を解くことができるとされる。
研究の背景
量子コンピュータにはさまざまな方式が提案されており、日立が研究開発を進める「シリコン量子コンピュータ」は、成熟技術である半導体技術を活用することができるため、量子ビットの大規模集積化に有利な方式として期待されます。日立はこれまでに、シリコン量子ビットを格子状に配列させることで集積化を可能にする「2次元シリコン量子ビットアレイ*7,8」の開発や、量子ビットを効率よく制御可能な「シャトリング量子ビット方式」の提案を行ってきました*9。2024年には、シリコン量子コンピュータの基本動作を確認しており、2024年3月に米国ミネソタ州で開催された「American Physical Society's March Meeting 2024」で発表しています*10。
- *7
- 2次元量子ビットアレイ: 量子ビットを2次元状に配列した基本構造。
- *8
- N. Lee et al., "16 x 8 quantum dot array operation at cryogenic temperatures," Jpn. J. Appl. Phys. 61 SC1040, 2023.
- *9
- 2023年6月12日 日立ニュースリリース 「シリコン量子コンピュータの実用化に向け、大規模集積に適した新たな量子ビット制御方式を提案」
- *10
- T. Kuno et al. "Adiabatic Electron Spin Resonance Inversion in an FDSOI Quantum Dot Array." Bulletin of the American Physical Society (2024).
開発技術の特長
シリコン量子コンピュータは、シリコン素子中に形成した「量子ドット」と呼ばれる微細構造の中に一個の電子を閉じ込め、その電子の回転(スピン)を量子ビットとして用います。しかし従来、半導体中の核スピンなどがノイズとなり、電子スピンの回転を不安定にするため、量子ビットの寿命が短いという課題がありました。今後、量子アルゴリズムや誤り訂正を実装するには、ノイズの影響を軽減させ、量子ビットを安定化させることで、十分な計算時間を確保する必要があります。
こうした課題に対し、英国ケンブリッジ大学内に設立された日立ケンブリッジラボの研究者と分野を超えた議論を重ねた結果、同ラボで先行的に研究されていた「Concatenated Continuous Driving (CCD)*11量子ビット操作方式」が外部のノイズを一部キャンセルするために有効との見通しを得ました。そこで、日立製作所研究開発グループの研究チームは、シリコン量子コンピュータの量子ビット操作に用いるマイクロ波の位相変調によって「CCD量子ビット操作方式」を実現する技術を、世界で初めて開発しました。本技術では、直交する2方向の軸を回転軸として量子ビットを操作することで、外部からのノイズ影響を削減し、量子ビットの寿命を大幅に延伸できます。
本技術をシリコン量子コンピュータに適用することで、量子ビットが安定化し、量子ビットの寿命が100倍以上延伸することを実験で確認しました。以上の結果から、シリコン量子コンピュータが、量子ビットの大規模集積化と量子ビットの安定化を両立する優れた特長を有することが確認できました。日立は今後も、量子ビットの大規模集積化に加え、本研究開発を通じて、量子アルゴリズムや誤り訂正の実装に向けた研究を加速し、量子コンピュータの早期実用化をめざします。
- *11
- A. J. Ramsay et al. "Coherence protection of spin qubits in hexagonal boron nitride." Nature Communications 14,461 (2023).
なお、本研究の一部は、ムーンショット型研究開発事業 目標6「2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させる誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現(プログラムディレクター: 北川勝浩)」の研究開発プロジェクト「大規模集積シリコン量子コンピュータの研究開発(プロジェクトマネージャー: 水野弘之)グラント番号 JPMJMS2065」による助成を受けて行われました。
謝辞
本結果の一部は、国立大学法人東京工業大学、国立研究開発法人理化学研究所、日立ケンブリッジラボとの共同研究の結果得られたものです。
日立製作所について
日立は、データとテクノロジーでサステナブルな社会を実現する社会イノベーション事業を推進しています。お客さまのDXを支援する「デジタルシステム&サービス」、エネルギーや鉄道で脱炭素社会の実現に貢献する「グリーンエナジー&モビリティ」、幅広い産業でプロダクトをデジタルでつなぎソリューションを提供する「コネクティブインダストリーズ」という3セクターの事業体制のもと、ITやOT(制御・運用技術)、プロダクトを活用するLumadaソリューションを通じてお客さまや社会の課題を解決します。デジタル、グリーン、イノベーションを原動力に、お客さまとの協創で成長をめざします。3セクターの2023年度(2024年3月期)売上収益は8兆5,643億円、2024年3月末時点で連結子会社は573社、全世界で約27万人の従業員を擁しています。
お問い合わせ先
株式会社日立製作所 研究開発グループ
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株式會社日立(以下簡稱日立)開發了可以穩定量子位的量子位操作技術,確認可以將量子位壽命(量子信息保持時間或量子相干性因子)延長100倍以上,這是向量子量子計算機實用化邁出的重要一步。
爲了實現量子計算機的實用計算,需要100萬以上的量子位數量,量子位的大規模集成,高效控制量子位的技術,以及實現錯誤糾正。據說日立正在開發的“硅量子計算機”在量子位的大規模集成方面有優勢,但是在半導體的核自旋等方面產生噪聲,導致量子位不穩定,實現量子算法和錯誤糾正的難度也很大。
本次開發的技術通過調製微波相位來操作量子位,從而在半導體中部分抵消(取消)噪音,穩定量子位,並使其壽命延長100倍以上(見圖1下)。這項成果是實現量子位大規模集成、量子算法和錯誤校正向前邁出的重要一步,我們將繼續推進此研究,爭取儘早實現量子計算機的實用化。
據悉,本次成果的部分內容將於2024年6月16日至20日在美國夏威夷州舉行的“2024 IEEE VLSI技術與電路研討會”上發表。
![[圖片] 圖1 上:傳統方法下的量子位操作結果(通過噪音使量子位的自旋不穩定)下:本方法下的量子位操作結果(通過減少噪音的影響,使量子位穩定,延長其壽命)](https://newsfile.futunn.com/public/NN-PersistNewsContentImage/7781/20240617/0-c5ea718a134d94a7931c2c0d27fd8ba9-0-44a9c7f024b6e09a7f13fe192a7bbd1e.jpg/big)
圖1 上:傳統方法下的量子位操作結果(通過噪音使量子位的自旋不穩定)
下:本方法下的量子位操作結果(通過減少噪音的影響,使量子位穩定,延長其壽命)
- *1
- 硅量子計算機: 一種基於硅內部的電子自旋的量子計算機。
- *2
- 量子位: 量子計算機中使用的最小信息單位。利用量子力學的疊加原理,可以表示0和1重合的狀態。
- *3
- 量子相干性因子: 表示不同量子狀態之間的“量子疊加”程度。這是表示量子位壽命的指標。
- *4
- 錯誤校正: 用於糾正量子計算過程中發生的錯誤的技術。通過使用一個邏輯量子位表示多個量子位(重複編碼),並利用這些冗餘量子位來檢測和估計錯誤。
- * 5
- 核自旋: 原子核具有的自旋。當使用電子自旋作爲量子位時,核自旋相互作用會導致量子位不穩定。
- *6
- 量子算法: 量子計算機特有的計算方法。可以解決通常在普通計算機上無法在實用時間內解決的問題。
研究背景
量子計算機有很多種技術,而日立正在研究開發的“硅量子計算機”可以利用成熟的半導體技術來實現大規模量子位的集成,因此被期望成爲有利於量子位大規模集成的方式。日立迄今已經進行了很多研究,例如通過將硅量子位排列成格子的方式實現了大規模集成,如“二維硅量子位陣列*7,8”的開發以及析取量子位的有效控制“shuttle量子位陣列”的提出*9。在2024年,已經確認了硅量子計算機的基本操作,並在2024年3月的美國明尼蘇達州舉辦的“美國物理學會2024年3月會議”上宣佈了這一消息*10。
- *7
- 二維量子位陣列: 將量子位2維排列的基本結構。
- *8
- N. Lee等人在日本應用物理學雜誌61 SC1040中發表論文稱:“在低溫下操作16 x 8量子點陣列。”
- * 9
- 在2023年6月12日日立股份有限公司新聞發佈會上,發表了“爲了實現硅量子計算機的實用化,提出了適用於大規模集成的新量子比特控制方式”的內容。
- *10
- T. Kuno等人在美國物理學會公告中發表文章:“FDSOI量子點陣列的絕熱電子自旋共振反轉。”(2024)
開發技術的特點
硅量子計算機通過在硅器件中形成稱爲“量子點”的微細結構來固定一個電子,並將其旋轉(自旋)作爲量子比特。 但是,在傳統上,核心自旋等在半導體中成爲噪聲,並使電子自旋的旋轉不穩定,因此量子比特的壽命較短。 然後,在實施量子算法和糾錯方案之前,需要減少噪聲的影響,穩定量子比特並確保足夠的計算時間。
然後,在與日立劍橋實驗室的研究人員和跨領域的討論之後,他們發現了在該實驗室先前研究的“Concatenated Continuous Driving(CCD)*11量子位操作方式”對減少外部噪聲的一部分是有效的方法。 因此,日立製作所研究和開發組的研究小組在使用用於量子位操作的微波的相位調製來實現“CCD量子位操作方式”的技術方面取得了世界上的首創。 在這項技術中,通過將兩個正交方向的軸作爲旋轉軸來操作量子比特,可以減少外部噪聲的影響並顯着延長量子比特的壽命。
通過將該技術應用於硅量子計算機,已經證實量子比特的穩定性,並將量子比特的壽命延長了100倍以上。 由以上結果確認,硅量子計算機具有大規模集成量子比特和穩定量子比特的卓越特點。 日立將繼續加速研究糾錯程序的量子位的大規模集成,以及通過這項研究和開發加速量子計算機的早期實用化。
- *11
- A. J. Ramsay等人在《自然通訊》14,461中發表文章:“六方氮化硼自旋量子位的相干保護。” (2023)
此外,本研究的部分內容是由建川勝浩擔任項目負責人的“到2050年,實現具有誤差耐受性的通用量子計算機並飛躍性地推進經濟,工業和安全保障”的研究開發項目“大規模集成硅量子計算機的研究開發(項目經理:水野洋之)(Grant Number JPMJMS2065)”提供的資助進行的。
致謝
本結果的一部分是與國立大學法人東京工業大學,國立研究開發法人理化學研究所和日立劍橋實驗室進行共同研究的結果。
關於日立製作所
日立推進以數據和技術爲基礎的社會創新事業來實現可持續發展。在數字系統和服務,旨在支援客戶的數字化轉型、在環保能源和運輸方面實現脫碳,以及連接各領域產品並提供全方位解決方案的“連接產業”三個方面運作。我們會利用IT、OT(控制/操作技術)和產品,通過Lumada解決客戶和社會面臨的各種問題。 以數字化、環保和創新爲動力,與客戶共同擴大規模。三個方面到2024年度(至2024年3月期)的銷售額爲8.5643萬億日元,截至2024年3月末,子公司共計573家,在全球範圍內擁有約27萬名員工。
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