PCCC AI/機械学習技術部会 第４回ワークショップ

NECにおける超伝導量子コンピューティング技術
202３年 ４月 １９日
日本電気株式会社 セキュアシステムプラットフォーム研究所 ディレクター
白根 昌之© NEC Corporation 202３

２０２３／４／１９ PCCC AI/機械学習技術部会 第４回ワークショップ

本日の講演内容
1. 量子コンピューティング技術への期待
2. 量子コンピュータの動作原理
3. NECの研究開発

１．量子コンピューティング技術への期待

昨今の報道記事
2022/112019/10

https://jp.newsroom.ibm.com/2022-11-10-IBM-Unveils-400-Qubit-Plus-Quantum-Processor-and-Next-Generation-IBM-Quantum-System-Two

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/
column/18/00001/03061/

2020/９https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/news/18/08854/

https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/index.html
4© NEC Corporation 202３

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現在の量子コンピューティング市場状況
NECは、3年間実施している独自調査から、もうすぐキャズムを越える状況と見ています。
皆様が先行者利益を獲得するためには現時点から取り組みを進めることが重要です。
Ｑ,あなたの勤務先では、量子コンピュータの活用のための取り組みを始めていますか。

イノベーター理論におけるキャズムは16.0%であり、市場の転換期にあたる

NEC独自調査結果(n=400)

わからない

25.0

27.4

25.1

採用者数
イノベータ―

まだ取り組んでいない
すでに取り組みを始めている

67.1

62.3

61.8

7.9

10.3

13.1

32

1

アーリー
アダプター

アーリー
マジョリティ

レイト
マジョリティ

13.5％

34.0％

34.0％

2021年度は13.1%
2.5％※NEC独自調べ
5© NEC Corporation 202３

ラガード

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イノベーター理論

16.0％
時間

2. 量子コンピュータの動作原理

量子コンピューティング技術の分類
量子コンピューティング技術（量子の振る舞いを取り入れたものを含む広義）

ゲート方式

アニーリング方式

従来のコンピュータのビットを量子ビットで置き換え
現状、誤り訂正機能無し／計算規模小（NISQ*）

イジングモデルを物理の法則等を利用して解く、組合せ最適化に特化（量子アニーリングはサンプリングに利用可能）

量子(ｲｵﾝﾄﾗｯﾌﾟ)

IonQ

量子(超伝導)光量子

中国科学技術大学

IBM

Google量子(超伝導)理研
東大

デジタル回路（NTTのみ光回路)

日立

産総研 D-wave

富士通

東芝

NTT

誤り耐性型*）Noisy Intermediate-Scale Quantum computer
現状発表されているゲート型コンピュータは全てNISQ（注）NECの調査による。全ての研究開発機関を網羅しているわけではありません。

7© NEC Corporation 202３

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ゲート方式の動作原理
量子ビットに対して様々なビット操作（数学的には行列演算）を行うことにより所望の演算をする方式で、目的に応じたアルゴリズムが存在計算の流れ（イメージ）

8© NEC Corporation 202３

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ゲート方式のアルゴリズム例◆ 誤り耐性型◆ NISQ

アルゴリズム

アプリ・問題アルゴリズム

アプリ・問題Shorのアルゴリズム

因数分解による暗号解読

Groversのアルゴリズム

探索問題、組合せ最適化

量子近似最適化(QAOA)

組合せ最適化、教師なし機械
学習

デジタル量子シミュレー
ション

新薬・新素材開発（量子化学計算）

変分量子固有値ソルバ 新薬・新素材開発(VQE)（量子化学計算）HHLアルゴリズム

ポートフォリオ高速最適化

量子回路学習（QCL）

教師あり機械学習

量子推薦システム推薦

教師あり機械学習

トポロジカルデータ分析

データ分析

量子ニューラルネット
ワーク（QNN）

量子深層学習

制限ボルツマンマシンのネットワーク学習

QAOA： Quantum Approximate Optimization Algorithm
VQE： Variational Quantum EigensolverQCL： Quantum Circuit Learning
QNN： Quantum Neural Network

誤り耐性型の実現は10年以上先と言われており、産業化観点では今使えるNISQアプリの探索が急務
戦略プロポーザル：みんなの量子コンピューター(CRDS-FY2018-SP-04) 表2.3を参照
9© NEC Corporation 202３

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アニーリング方式の動作原理
解きたい問題をイジングモデルに変換。強い磁場で初期化後、徐々に弱め、コスト関数（H）の最小エネルギー状態(最適解)に近づく
コスト関数

イジングモデルのコスト関数
𝜎𝑖 = 1

初期化

𝜎𝑖 = −1 𝐽

𝐽23

ℎ1

ℎ212

磁場を弱める測定ℎ3

量子効果を”ゆっくり弱めて”最小コストの組合せをみつける
コストが低い＝より良い組合せ
量子効果
強い(前半)：それぞれの組合せを均等に扱う
弱い（後半)：数少ない組合せのみを扱う
10

色の濃度：組合せの割合（濃い＝割合が大きい）© NEC Corporation 202３

組合せの種類https://www.smapip.is.tohoku.ac.jp/
東北大学・田中研究室のサイトより

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量子アニーリングの活用事例
金融取引における正常／不正を識別する AI モデル構築において、不正が行われた学習データを量子アニーリングの機能によりオーバーサンプリングを実施。
AI モデルの学習にこのデータを適用し、不正検知の再現率向上を確認。
※D-wave社の量子アニーリングマシン等を利用

不正取引の学習データ

不正取引の学習データ

正常取引の学習データ

三井住友FG、日本総研、NECの共同研究成果
https://jpn.nec.com/press/202103/20210322_01.html
11© NEC Corporation 202３

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３. NECのHW研究開発

NECの量子コンピューティング研究開発の歴史と未来◆ 集積可能な固体素子量子ビット技術を世界で初めて実証適用 ベクトルコンピュータを超伝導パラメトロンで量子アニーリングマシンを実現（NEDO）

2040～

実証開始 利用したアニーリングマシン

2023

世界初

実証した量子ビットビット間結合を制御可能な量子ビットの実証

2021
2019

<Science誌掲載※3>

世界初固体素子量子ビットの動作を実証

2007<Nature誌掲載※1>

2003
1999

世界初 2ビット論理演算ゲートの動作を実証<Nature誌掲載※2>13© NEC Corporation 202３

ベクトル
アニーリングのクラウド提供開始

2014

ムーンショットプログラム
誤り耐性型汎用量子コンピュータの実現を目指す

成功 超伝導回路を用いてパラメトロンを実現<Nature Commun.誌掲載※4>

超伝導
ジョセフソン接合
パラメトリック発振器
２０２３／４／１９ PCCC AI/機械学習技術部会 第４回ワークショップ※1 Y. Nakamura et al., Nature 398, 786 (1999)※2 T. Yamamoto et al., Nature 425, 941 (2003)※3 A. O. Niskanen et al., Science 316, 723 (2007)※4 Z. R. Lin et al., Nature Commun. 5, 4480 (2014)

【ご参考】量子コンピューティング技術開発におけるパートナーシップ
誤り耐性型マシンの共同開発

量子アニーリングマシンの共同開発

ムーンショット型研究開発事業

ソフトウェア開発

課題の実証 及び 人材育成

LHZ方式、共同研究
Parity Quantum Computing社

産業技術総合研究所
東京医科歯科大学

東北大学

情報通信研究機構(NICT)

Sigma-i

大阪大学

名古屋大学

NTT

(株)ニコンNTT

日本総合研究所

理化学研究所

NECプラットフォームズ

東京理科大学

NEDO※委託事業

アルバック・クライオ(株)(株)アルバック横浜国立大学

国立天文台

理化学研究所

産業技術総合研究所

ナノブリッジ・セミコンダクター(株)株式会社東芝

早稲田大学

東京大学

帝京大学

東京工業大学

慶応義塾大学

東京大学

日立製作所

大阪大学
九州大学
東北大学

金沢工業大学
九州大学
弘前大学

FIXSTARS

情報・システム研究機構
豊田通商株式会社※NEDO：国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構

ゲート方式

アニーリング方式
Hardware14© NEC Corporation 202３

System,Software

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Application

量子コンピューティング技術の分類 ：NECの取り組み量子コンピューティング技術（量子の振る舞いを取り入れたものを含む広義）

ゲート方式

アニーリング方式

従来のコンピュータのビットを量子ビットで置き換え
現状、誤り訂正機能無し／計算規模小イジングモデルを物理の法則等を利用して解く、組合せ最適化に特化

量子(ｲｵﾝﾄﾗｯﾌﾟ)

IonQ

量子(超伝導)光量子

中国科学技術大学

IBM

Google量子(超伝導)理研
東大

デジタル回路（NTTのみ光回路)

日立

産総研 D-wave

富士通

東芝

NTT

誤り耐性型

②JSTムーンショッ
トプログラムの支援を受け開発中
15© NEC Corporation 202３

商用サービスを展開。
NECと協業③11月よりベクトルコン
ピュータベースのサービス提供を開始①NEDOの支援を受け、量子素子を開発中（注）NECの調査による。全ての研究開発機関を網羅しているわけではありません。

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量子アニーリング

2023年の超伝導量子アニーリングマシン実用化に向け量子アニーリング素子の開発を牽引しています
超伝導量子アニーリングマシン（モックアップ）
外部装置

制御入力読出し出力

外部装置

常温～数 K
数百 mK～ mK（≒-273℃）※これは、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の委託業務の成果を一部活用しています。

支援参加団体NEC (副代表、事業化・実用化責任機関)
NEDO
16

産業技術総合研究所(代表)東京工業大学 / 早稲田大学 / 横浜国立大学 他© NEC Corporation 202３

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NECが取り組む量子アニーリング素子（マシンの心臓部）

量子アニーリング

NECが取り組む量子アニーリング素子の特長

高速・高精度な演算ができる大規模な問題が解ける

発振出力
ポンプ

ノイズに強く、量子の重ね合わせ状態を長く保つ超伝導パラメトロン方式を採用
17© NEC Corporation 202３

ParityQC社＊と協業し多ビット化しやすいアーキテクチャを採用

２０２３／４／１９ PCCC AI/機械学習技術部会 第４回ワークショップ＊Parity Quantum Computing社：オーストラリアの量子コンピュータ分野のベンチャー企業

量子アニーリング

量子アニーリングに関するプレスリリース(2022/3/17)
基本ユニットである４ビットの量子アニーリング動作成功と多ビット化に必須の３次元構造の基本動作実現を発表

https://jpn.nec.com/press/202203/20220317_01.html
18© NEC Corporation 202３

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量子アニーリング【ご参考】アニーリング適用領域の広がり

NECは量子アニーラに先立ち、シミュレーテッドアニーラを活用して、様々な共創パートナーとの取り組みから、実用が見込める領域が見えてきました。

共創パートナーとの取り組み
SMBCグループ 様 / 日本総合研究所 様 / NECプラットフォームズ / NECフィールディング 他

広告/公共/インフラ• マッチング/
レコメンド• 通信基地局制御

製造• 生産計画• 部品発注計画• 監視センサー制御

交通/物流• 乗務員シフト• 配送計画• 積荷配置金融

素材開発/創薬• カード不正検知• モンテカルロ・シミュレーション• リスク計算データ補完• スクリーニング• 実験パラメータ探索※研究中、顧客実証～実用に至るものが含まれています19

Leap Quantum Cloud
ServiceNEC Vector Annealingサービス© NEC Corporation 202３

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量子コンピューティング適用サービス/ 教育サービス

Vector Annealingの特長

ｼﾐｭﾚｰﾃｯﾄﾞ
ｱﾆｰﾘﾝｸﾞ

NECのベクトルプロセッサ（高速行列計算・高速メモリアクセス）と、独自アニーリングアルゴリズムにより大規模アニーリング/最適化の高速処理を実現しています
エネルギー計算はベクトル計算
SX-Aurora TSUBASAで高速求解見込みのない探索を省いて効率化したアルゴリズム

Qij
SpinStatexxx+

for(i=0; i<numSpins; i++)
DeltaEnergy +=Qij[FlipSpin][i] x
SpinState[i]隣のスピンの影響度

0 or 1

1VEカードで10万ビット全結合の問題に対応• 1VEカードのメモリ容量 48GB
• マルチカードで３0万ビットまで拡張“組合せ最適化問題における制約条件を考慮したQUBOソルバ”,
https://ipsj.ixsq.nii.ac.jp/ej/?action=repository_uri&item_id=200692&file_id=1&file_no=1

20© NEC Corporation 202３

２０２３／４／１９ PCCC AI/機械学習技術部会 第４回ワークショップ誤り耐性型汎用量子コンピュータ

誤り耐性型

ムーンショット目標６：2050年までに、経済・産業・安全保障を飛躍的に発展させ
https://www8.cao.go.jp/cstp/moonshot/sub6.html
る誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現

プロジェクトマネージャ
NECセキュアシステムプラットフォーム研究所
主席研究員 山本 剛
https://ms-iscqc.jp/21© NEC Corporation 202３

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超伝導誤り耐性量子コンピュータ実現に向けた課題① 膨大な物理量子ビット数② 量子ビット制御/読出の配線数⚫ 量子誤り訂正を実現するためには、複数の量子ビットを用いて一つの論理量子ビットを構成⚫ 現状の超伝導量子ビットのエラーレートで、味のある計算をしようとすると～108程度の量子ビットが必要⚫ 超伝導量子ビットは、希釈冷凍機を用いてほぼ絶対零度(約-273℃)に冷却が必要⚫ 量子ビット制御/読出のためのGHz帯マイク
ロ波信号を、室温と-273℃の間で同軸ケーブルで繋いでやりとりをしている⚫ 現行方式では物理ビット数×2程度の同軸ケーブルが必要だが、冷凍機内スペースは冷凍能力の制限で数100ビットが限界

希釈冷凍機内部の写真
22© NEC Corporation 202３

誤り耐性型

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ムーンショットプログラムで取り組む課題と目指すシステム
2050年
誤り耐性
量子計算

102

108
物理量子ビット数
現状必要な量子ビット数

現状扱える量子ビット数

扱える物理量子ビットを増やす

必要な物理量子ビットを減らす
均一かつ高スループットな量子ビット作製技術

希釈冷凍機内部の写真
300K

クライオ
エレクトロニクス

量子ビット寿命、コヒーレンス時間向上

4K

冷凍機技術

高密度配線、パッケージング技術、チップ間接続技術
23© NEC Corporation 202３

ハードウェア高効率な誤り訂正コードの実現
10mK

・104量子ビットx100チップ
・エラー率<10-6
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誤り耐性型