2024年3月26日

超伝導量子コンピュータの研究開発

中村 泰信
理化学研究所量子コンピュータ研究センター
東京大学大学院工学系研究科物理工学専攻

理化学研究所量子コンピュータ研究センター
2021年4月設立• 量子コンピュータ実現に向け、フルスタックの研究開発を推進• ブレークスルーを目指して、基礎から応用まで多様な人材が協働• 開かれた拠点として、産官学・国内外の諸機関と広く連携• 次世代の量子技術を担う人材を育成

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超伝導量子コンピュータ実機公開
理化学研究所量子コンピュータ研究センターにおける国産初の実機立ち上げとクラウド公開

2023年3月27日『叡』
64量子ビット超伝導量子コンピュータシステム

3超伝導量子コンピュータ実機公開
理研RQC－富士通連携センターにおける2号機公開
2023年10月5日

大阪大学量子情報・量子生命研究センターにおける3号機公開
2023年12月20日

64量子ビット超伝導量子コンピュータシステム

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超伝導量子ビット ＝ 非調和振動子
LC共振回路ジョセフソン接合共振回路
ジョセフソン接合 = 非線形インダクタ

energy非調和性 ⇒ 有効2準位系

誘導エネルギー = 閉じ込めポテンシャル
帯電エネルギー = 運動エネルギー ⇒ エネルギー準位の量子化

原子と人工原子
LC共振回路超伝導量子ビット= 人工原子~mmII

• 超伝導
⇒ 低損失
• ジョセフソン効果 ⇒ 強い非線形性• 巨視的サイズ⇒ 電磁場と強く結合原子~Åデコヒーレンス要因
磁場揺らぎ?
トラップされた磁束?

電子/核スピン?
電荷揺らぎ?
周辺回路モード?

フォノン?

準粒子トンネリング?

光子?
電荷/ジョセフソンエネルギー揺らぎ?

超伝導量子ビットのコヒーレンス時間

低エネルギー化
非平衡準粒子対策

エコー・動的デカップリング
高周波雑音シールド
共振器による電磁場
環境制御

表面・界面欠陥の影響希釈
表面・界面・誘電体の改善
エネルギー準位構造最適化
電荷ノイズの影響抑制

W. D. Oliver and P. Welander, MRS BULLETIN 38, 816 (2013) MIT-LL

量子誤り訂正の実現に向けてSurface code d=3

ETH Zurich

Nature 605, 669 (2022)

Surface code d=5

Google AI Quantum
Nature 614, 676 (2023)

USTC

ブレークイーブン（符号化による論理量子ビットエラー率低減）
IBM
未達成
Nature Commun. 14, 2852 (2023)

Phys. Rev. Lett. 129, 030501 (2022)

cf. ボゾニック符号では実現済
Braiding
operation(GKP, binomial, cat, etc.)

Google AI Quantum
Nature 618, 264 (2023)

Zhejiang Univ.

Chinese Phys. Lett. 40, 060301 (2023)9可変周波数 vs 固定周波数量子ビット
可変周波数量子ビット・可変結合回路

Google固定周波数量子ビット・固定結合回路

USTC• 回路構成が複雑化• 高い配線コスト• 磁束バイアスの必要性• 短いコヒーレンス時間• 高速2量子ビットゲート• 残留結合の抑制• プロセスばらつきの補償可能

RIKEN• 単純な回路構成• 低い配線コスト• 磁束バイアス不要• 長いコヒーレンス時間• 2量子ビットゲート低速• 量子ビット間の残留結合• プロセスばらつきによる周波数衝突

固定周波数量子ビット・可変結合回路
共振器（ボゾニックモード）・可変結合回路

IBM

Q-LEAPでの取り組み
NISQ応用へのプラットフォームを提供しつつ、誤り耐性量子計算実現への道筋を探求

独自方式 超伝導量子ビット2次元集積回路＋垂直配線パッケージ11

ユニットセル構造

量子ビット

読み出し共振器
0.5 mm量子ビット緩和
抑制用フィルタ
共振器

ジョセフソン接合
金色： TiN
銀色： Al
灰色： Si
黒： 貫通穴2 μm

量子ビット間結合キャパシタ

0.2 μm12

ユニットセル構造

ユニットセル構造
量子ビット

読み出し共振器

0.5 mmジョセフソン接合
フィルタ共振器
金色： TiN
銀色： Al
灰色： Si
黒： 貫通穴裏面

Qubit

GNDResonator垂直配線パッケージング

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64量子ビット実験用大型希釈冷凍機
 入力配線 96本*、出力配線 16本
計112本
 低温低雑音増幅器 (16台) 低温ジョセフソンパラメトリック
増幅器(JPA) (16台)

読み出し用
増幅器

制御用
配線
読み出し用
配線

 磁気遮蔽付き試料パッケージ 極低温熱輻射遮蔽 極低温環境 ~10 mK* 量子ビット制御
64本
読み出し信号入力
16本
JPA駆動マイクロ波入力 16本

64Qパッケージ用
磁気シールドジョセフソンパラメトリック
増幅器用磁気シールド

制御装置開発：多チャンネルマイクロ波制御・読み出し

量子ビット制御64本
読み出し信号入力
16本
JPA駆動
マイクロ波入力
16本

計測ソフトウェア開発協力

スタートアップ

忠実度向上に向けて
コヒーレンス時間 : T1 ~ 90 μs, T2E ~ 100 μs
単一事象読み出し : 0.9967 (~96 ns)
1量子ビットゲート : 0.9996 (~17 ns)
2量子ビットゲート : 0.991 (~170 ns)

単一事象読み出し1量子ビットゲート@ ~8 GHzBest values

2量子ビットゲート（交差共鳴ゲート）

Fidelity : 0.991(3)Fidelity (Q0) : 0.99907(4)Fidelity (Q1) : 0.99964(7)172量子ビットゲート

Cross-resonance

ZX gate量子ビット周波数ばらつき抑制
量子ビット周波数 (MHz)

量子ビット周波数ばらつき:

残留ZZ相互作用低減
Residual ZZ coupling(kHz)

2Q-gate performance
Q14-Q15

Q15-Q29

Q14-Q28

Q28-Q29• 2Q gate time = 150 ~ 200 ns• 2Q fidelity ~ 97%, limited by T1
20

ジョセフソン接合電圧パルスアニーリング

arXiv:2401.07415 (Rigetti Computing)

ジョセフソン接合抵抗値および量子ビット周波数の個別精密制御

21

個別パーセルフィルタの実装
読み出し共振器

4量子ビット単位セル
Q2

Q4
内在型ノッチフィルタ

200 μmフィルタ共振器
Q3

Q1等価回路

電気磁気結合回路22個別パーセルフィルタの効果• 高速読み出し• 高忠実度読み出し• 低クロストークt ramp≈
96 nsωr .o .

224 ns96nsの読み出しが可能

忠実度: 99.67 %クロストーク < -40dB

F. Swiadek et al.
arXiv:2307.07765 (2023)
Sunada: planar single-qubit device
Spring: multiplexed chip23

伝搬型ジョセフソンパラメトリック増幅器開発

1 𝜇𝜇𝑚𝑚2
dcバイアス不要の4光波混合方式
伝搬型ジョセフソンパラメトリック増幅器
モード整合条件：

5 mm
平面型Alジョセフソン接合プロセスにより誘電損失を低減
5x5 mm2 チップ上の2400セル
C. W. S. Chang et al. unpublished24

伝搬型ジョセフソンパラメトリック増幅器開発• ポンプ強度: - 65 dBm @ 7.43 GHz• 利得: 16 - 18 dB （帯域 4 GHz 以上）• ポンプオフ時挿入損失: 0.2 - 0.4 dB @ 4-12 GHz• 付加雑音: 0.84 photon @ 16 dB gain
• 飽和パワー: -94 dBm @ 16 dB gain
• 後方利得: < 0 dB

C. W. S. Chang et al. unpublished25

コヒーレンス時間の改善
TiN電極を用いた集積回路チップ(16Q)上の量子ビット （周波数 ~ 4 GHz）

𝑇𝑇1 = 388 μs•高品質超伝導薄膜成膜•表面・界面クリーニング•低周波数化•マイクロ波浮遊モードとの結合抑制•極低温環境における高周波電磁シールドetc.
26非線形結合器を介したマイクロ波駆動2量子ビットゲート
S. Shirai et al. Phys. Rev. Lett. 130, 260601 (2023)
in collaboration with Noguchi Team at RIKEN• 周波数固定トランズモン型量子ビットのみを用いた全マイクロ波制御方式• 結合用量子ビットの非線形性を利用したマイクロ波誘起相互作用• 駆動パワー抑制・周波数混雑回避に利点

制御Zゲート忠実度 97.8%27

高忠実度2量子ビットゲート実現
東芝との共同研究
CZゲート忠実度
99.92%• 二重トランズモン結合器• 高速 (48 ns) 断熱的磁束バイアスパルスによる制御位相ゲート実装• 結合の高いオンオフ比 (>104) 実現
R. Li et al. arXiv:2402.18926(Theory) H. Goto, Phys. Rev. Appl. 18, 034038 (2022); K. Kubo et al. arXiv:2402.05361

28高忠実度2量子ビットゲート実現
東芝との共同研究

R. Li et al. arXiv:2402.18926(Theory) H. Goto, Phys. Rev. Appl. 18, 034038 (2022); K. Kubo et al. arXiv:2402.05361

29IBM Quantum Heron

https://newsroom.ibm.com/2023-12-04-IBMDebuts-Next-Generation-Quantum-ProcessorIBM-Quantum-System-Two,-ExtendsRoadmap-to-Advance-Era-of-Quantum-Utility
https://arxiv.org/abs/2311.05933

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144量子ビットチップ用冷凍機設計・実装
全体図 （10mKプレート以下）

マイクロ波コンポーネントの集積化
アッテネータEccosorbフィルタ
Low-passフィルタ
配線用集合コネクタ

入力配線 216本
出力配線 36本
使用帯域低周波化 4-8 GHz
TWPAパッケージ 36個

磁気シールド31

まとめと今後の展開• 64量子ビット超伝導量子コンピュータ『叡』の公開と運用• 理研RQC－富士通連携センター・阪大QIQBでも実機公開• 一層の高忠実度化・大規模化を目指したハードウェア・ソフトウェア技術開発• 読み出し用共振器フィルタの改良により読み出し忠実度99.67%実現• 量子ビット周波数の均一性向上• 残留ZZ相互作用低減• 独自設計JTWPAの低損失動作実証
今後の展開• 量子ビット低周波数化によるコヒーレンスと忠実度の大幅改善• 量子ビット周波数ばらつきの低減と収率向上• 144量子ビットシステムの立ち上げ• JTWPAの導入により、多重化読み出し実装の高忠実度化• 実機を利用した、エンドユーザーを巻き込んでのアプリケーション開発• ハードウェア・ソフトウェア量子人材育成のプラットフォームとして運用
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まとめと今後の展開• 複数チップ間接続・複数モジュール間マイクロ波量子ネットワーク• 量子ビット接続性の向上 表面符号より効率的な符号化に対応• 誤り耐性量子計算に向けた低レイテンシ制御エレクトロニクスとの広帯域接続• 大規模化（>106）へ向けたパッケージング技術• 光ファイバーを用いた量子ビットの制御・読み出し 光波長多重化

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IBM Quantum distributed system

https://techmonitor.ai/hardware/quantum/ibm-quantum-nvidia

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