量子コンピュータ向け大型希釈冷凍機の開発
アルバック・クライオ株式会社

斎藤政通

１．はじめに囲む真空断熱槽で、合計 2 重の真空断熱槽が必要

量子コンピュータは素因数分解や量子化学計算なであった。一方、ドライ型では単一の真空槽のみ

ど特定の用途では従来のスーパーコンピュータをとなるため、被冷却物を設置する低温部の空間を遥かに凌ぐ速度での計算が可能であり、ここ数年拡大することが容易となった。このため、より大大きな注目を集めている。2019 年の Google によきな低温空間を必要とする超伝導量子コンピューる量子優位性 や、2022 年 IBM の 433 量子ビット

タの発展へドライ型希釈冷凍機の登場が大きく貢2)献したと考えられる。

1)、2023 年の理研ら国内グループによる国産量子コンピュータ などの報告がある。さらに IBM は
3)2033 年に 10 万量子ビットの計画を発表するなど
4)

３．量子コンピュータと希釈冷凍機、超伝導量子コンピュータの研究が急速に進ん超伝導量子コンピュータの量子ビットは、ジョでいる。量子コンピュータには超伝導方式以外にセフソン接合を含む共振回路内に発現する超伝導イオントラップ、ダイアモンド、冷却原子、シリ量子状態の 2 つのエネルギー準位を利用しているコンなど様々な方式が研究されているが、現在最8)も研究が進んでいるのがこの超伝導量子コンピュ波に相当し、温度換算すると数 100 mK となる。

ータであり、希釈冷凍機による冷却が必須なことマイクロ波照射による意図した量子ビット操作をから、低温技術の進展とも密接な関りがある。本実現するためには、外部環境からの熱的攪乱の影

稿ではまず低温技術の進歩の量子コンピュータ研響を十分小さくする必要があり、このマイクロ波究への関りを概観し、量子コンピュータと希釈冷のエネルギースケールより十分低い数 10 mK 以下凍機の関係を中心に説明し、最後に弊社アルバッの環境下に置くことが要求される。そのため、超ク・クライオ株式会社での活動を簡単に紹介する。

伝導量子コンピュータには希釈冷凍機での冷却が。この準位間のエネルギーは数 GHz のマイクロ必須となる。
量子コンピュータの動作時の希釈冷凍機への熱２．低温技術の発展希釈冷凍機は 1960 年代に Oxford Instruments よ5)

負荷は、室温から低温部へと接続されるマイクロ。当初からしばらくは液体ヘリウ

波用同軸ケーブルなどの配線を伝わり高温側からム寒剤が不可欠であった(ウェット型)が、1990 年

低温側へ流入する受動熱負荷と、信号の減衰や増代に開発された磁性蓄冷材により、4K-GM 冷凍機

幅器などの動作に必要となる能動熱負荷、2 つがや 4K パルス管冷凍機などの機械式冷凍機での 4K支配的となる 9)。Krinner らは各温度ステージへの以下への冷却が可能となった 6)。これにより液体熱負荷と冷凍能力を考慮した結果、20 mK で 19

ヘリウム寒剤の代わりに機械式冷凍機を利用したμW の冷凍能力を持つ希釈冷凍機において、150 量希釈冷凍機が可能となり、2000 年代には 4K パル子ビットの動作が可能との見積を示し、さらに改ス管冷凍機を搭載した希釈冷凍機(ドライ型)が市良を加えることで 1000 量子ビットを提案していり市販された

7)る 10)。また、冷凍能力以外にも、マイクロ波部品販されるようになった 。
液体ヘリウム寒剤の取り扱いが不要となったこや増幅器が占める体積も量子ビット数に比例し増とにより、定期的な液体ヘリウムの注ぎ足しの手加するため、これらの構成部品を収容可能なサイ間だけで無く、液体ヘリウム供給に必要な設備のズの低温空間を有した希釈冷凍機が必要となり、導入と維持コストが解消され、室温から最低温度

実 際 に 巨 大 な 希 釈 冷 凍 機 の 開 発 が 、 IBM11) 、までの自動化も容易なことから、低温技術や低温BLUEFORS12)、Fermilab13)で進められている。

物理を専門としない研究者に対しても、希釈冷凍機の利用が可能となった。

これまでに実証されている量子コンピュータの量子優位性は、いわば量子コンピュータが得意とまた、ウェット型では室温～4K を隔てる真空断する特殊な計算について示されたものである。実熱槽と、その内側で 4K 以下の希釈冷凍機本体を用的な計算を実行させるには、量子コンピュータ-252-

で発生するエラーを検出し訂正する技術が必要と

6) 中込秀樹：低温工学概論, 東京電機大学出版局,

されている。この誤り耐性汎用量子コンピュータ(1999) 第 6 章

で実用的な計算をするには 100 万量子ビットが必

7) Z. Zaho：Cryogenic Engineering and Technologies,

要とされており、現行の量子コンピュータの単な

CRC Press, (2019), Chap.11

る拡張では困難である。そのため、冷凍機だけで

8) 山本剛：日本物理学会誌は無く、システム全体の基本設計の模索がされて

9) 猪股邦宏ら：IEEJ Transaction on Fundamentals

おり14)、希釈冷凍機の最終的な姿についても今後

75 (2020) 610

and Materials 142 (2020) 190
10) S Krinner et al.：EPJ Quantum Technology 6 (2019)の重要な検討課題とみられる。

211)https://research.ibm.com/blog/ibm-quantum-４．アルバックグループでの取り組み
弊社アルバック・クライオ株式会社では、クラroadmap (Accessed: 2023/6/17)

イオポンプの製造・販売で培った極低温技術と、

12)https://bluefors.com/blog/introducing-kide-large-

株式会社アルバックの真空技術と材料技術を技術

scale-cryogenic-platform/ (Accessed: 2023/6/17)

的バックグラウンドに、量子コンピュータ向け希13)M. Hollister et al.： arXiv:2108.10816 (2021)

釈冷凍機の開発を行っている。2014 年から大阪市

14) W Munro ら：NTT 技術ジャーナル, 3 (2021) 30

立大学（現大阪公立大学）との間で、無冷媒希釈15) https://ms-iscqc.jp/ (Accessed: 2023/6/17)

冷凍機の技術開発の共同研究プロジェクトを推し進め、小型であるが無冷媒の希釈冷凍機技術の蓄積を行ってきた。2021 年から JST(科学技術振興機構)のムーンショット型研究開発事業に参加し 15)、国内の量子コンピュータ研究者との連携を深め、研究開発を加速させている。これまでに、図１の希釈冷凍機試作を製作し、希釈冷凍機も含めた純国産の量子コンピュータ実現に向け取り組んでいる。
参考文献
1) F. Arute et al., Nature 574 (2019) 505

図１2)https://newsroom.ibm.com/2022-11-09-IBMUnveils-400-Qubit-Plus-Quantum-Processor-andNext-Generation-IBM-Quantum-System-Two(Accessed: 2023/6/17)
3)https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/ind
ex.html (Accessed: 2023/6/17)
4)https://research.ibm.com/blog/100k-qubitsupercomputer (Accessed: 2023/6/17)
5)https://nanoscience.oxinst.com/resources/template/c
elebrating-50-years-of-dilution-refrigeration(Accessed: 2023/6/17)-253-

希釈冷凍機試作機の外観