2024/03/25-26 KEK 素核研物構研 連携研究会 2024

冷却原子型量子コンピュータの急速な発展とその展望について

2024年3月版

自然科学研究機構

分子科学研究所

富田

助教

隆文
1

自己紹介：富田 隆文 (とみた たかふみ)2

分子科学研究所 助教(大森賢治グループ)
研究内容：
冷却原子を用いた量子コンピューティング・量子シミュレーション➢ 2014 – 2019

京大 理物 修士・博士 高橋義朗 研究室
JSPS research fellowship DC１(2016-2019)(冷却原子実験, 開放量子多体系量子シミュレーション)➢ 2019 – 2023.6月 分子研 特任助教
➢ 2023. 6月 –分子研 助教Ultrafast Rydberg interaction[Y. Chew et al., Nature Photonics 16, 724 (2022)]

LectureQuantum Education Program分子研 & 大森グループ

3

分子科学研究所: Institute for Molecular Science
自然科学研究機構: National Institutes of Natural Sciences

大森賢治グループ

冷却原子を用いた量子コンピューティング・量子シミュレーション実研究開発

量子コンピュータハードウエア- 2016年 -Science, FEATURES “Quest for qubits”[G. Popkin, Science 354, 1090 (2016) ]4

量子コンピュータハードウエア
2021年 talk by Chris Monroe

2016年- 2021年 -5Flagship Forum of Quantum Center, ETH Quantum center (2021. 9/24)

中性原子(冷却原子)

光https://youtu.be/Ex6zy-ZNFAE

量子コンピュータハードウエア
日経クロステック『5大方式が競う- 2023年 -6

国産量子コンピューター』2023/4/26 より

シリコン

超伝導

光

冷却原子
（中性原子）

イオントラップ
https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/nc/18/041700353/

Breaking News!!! Logical quantum processor
2023年12月

From Mikhail Lukin group @ Harvard/MIT with QuEra Computing
Here we report the realization of a programmable quantum processor based on
encoded logical qubits operating with up to 280 physical qubits.
…, we realize computationally complex sampling circuits with up to 48 logical qubitsentangled with hypercube connectivity with 228 logical two-qubit gates and 48 logical
CCZ gates. …

→ Published: D. Bluvstein et al. Nature 626, 58 (2023).

7

Breaking News!!! Logical quantum processor
2023年12月

Supplementary video

From Mikhail Lukin group @ Harvard with MIT, QuEra Computing

Here we report the realization of a programmable quantum processor based on
encoded logical qubits operating with up to 280 physical qubits.
…, we realize computationally complex sampling circuits with up to 48 logical qubitsentangled with hypercube connectivity with 228 logical two-qubit gates and 48 logical
CCZ gates. …

→ Published: D. Bluvstein et al. Nature 626, 58 (2023).

8

今日の目標おそらく皆さんが気になっていること…
• 冷却原子とはそもそも何なのか？
• 冷却原子量子コンピュータとはどんなもの？
• どこまで進んでる？
• Advantage/disadvantage？

• 展望➢ ハードの進展について解説：実験➢ どういったタスクが実行できる？→割愛

9冷却原子とは？

10

レーザー冷却等により絶対零度付近まで冷却された中性原子気体～μK ～nK※希釈冷凍機なし

Rb原子気体◆ 特徴➢ 光でトラップ・光で制御

レーザー

原子気体

➢ 孤立量子系➢ 量子性： 電子/スピン状態・運動自由度➢ 均質：原子はすべて同じ

撮影：富田（分子研）

11

分子科学研究所 大森研究室

京都大学 高橋研究室

原子の冷却12

Rb原子気体撮影：富田（分子研）

真空容器の中に原子気体がある
QEdプロジェクト

分子研

実験室ツアー動画より

原子の冷却13◆ レーザー冷却(laser cooling) = レーザー光で気体原子を冷却 = 減速させる
速度
(運動量)

質量 m
laser

photon:

運動量

laser

光子を吸収 ⇒ 減速 （輻射圧）

ソーラーセイル
IKAROS(JAXA)
https://www.jaxa.jp/projects/sas/ikaros/index_j.html

原子の冷却14◆ レーザー冷却(laser cooling) = レーザー光で気体原子を冷却 = 減速させる
速度
(運動量)

質量 m
laser

photon:

運動量

laser

自然放出：光子を放出
光子を吸収 ⇒ 減速 （輻射圧）※方向はランダム
反作用の運動量変化は相殺

原子の冷却15◆ レーザー冷却(laser cooling) = レーザー光で気体原子を冷却 = 減速させる
冷却される

laser

原子座標系

冷却されないlaser

ドップラー冷却(Doppler cooling)

ドップラー効果
進行方向から来る光の周波数が高く見える➢ 磁気光学トラップ
Magneto-Optical Trap (MOT)
Rbの場合： T ~ 100 μK

87Rb

コイル

𝜎−

𝜎−

𝑩 𝜎

𝜎−

𝜎 +𝜎

速度 v ~ cm/s++
撮影：富田（分子研）

コイル

光で原子をトラップする：光双極子トラップ(optical dipole trap)
レーザー光を集光→ 集光点に原子をトラップ

原子

レーザー

① レーザー光の振動電場で原子が分極：電気双極子＋② 共鳴周波数より低周波側と③ 電場－双極子相互作用

電場が強いほどエネルギー下がるの向きが揃うAC Stark shift, Light shift

光強度に比例
分極率

光強度

-

16

光で原子をトラップする
例：光ピンセット

対物レンズ

17

レーザー

ビーム径~1 μm

単一原子[Olympus HPより]

レーザー~ 数 μm

[K.-N. Schymik et al. PRA 102, 063107 (2020)]

例：光格子

原子気体

レーザー

・・・

[W. S. Bakr et al. Nature
462, 74-77 (2009)]

1D

レーザー

格子定数

・・・

2D

~ 数100 nm

3D冷却原子を用いた量子シミュレーション

18

量子気体顕微鏡

ボース・ハバードモデル

個別観測・制御[W. S. Bakr et al. Nature
462, 74-77 (2009)]

モデルの再現、パラメータ制御性
量子モンテカルロ計算との比較[S. Trotzky et al., Nat. Phys. 6, 998-1004 (2010)]

フェルミ・ハバードモデル

基底/励起状態、相構造

非平衡ダイナミクス

孤立量子系
の緩和過程

高温超伝導
（銅酸化物）

光格子系

SPring-8 HPより

[A. Mazurenko et al.,Nature 545, 462 (2017)][C. Chiu et al., Science 365, 251-256 (2019)][S. Trotzky et al., Nat. Phys. 8, 325-330 (2012)]

今日はこの話はしない

冷却原子を用いた量子シミュレーション◆量子XYモデル◆量子Isingモデル

19[D. Barredo et al., PRL 114, 113002 (2015)][H. Bernien et al., Nature
551, 579 (2017)]◆Su-Schrieffer-Heegerモデル[S. de Léséleuc, V. Lienhard etal., Science 365, 775 (2019)]

光ピンセット系

今日はこの話もしない

冷却原子型量子コンピュータ
光ピンセットで原子量子ビットを配列状に配置

レーザー光でゲート操作・観測

冷却原子型量子コンピュータ企業PASQAL 白書 “Quantum computing with neutral atoms”
arXiv: 2006.1232620原子量子ビット配列

21◆光ピンセット (Optical tweezers) = 強く集光された光双極子トラップ
対物レンズ
ビーム径~1 μm

単一原子[Olympus HPより]

レーザー◆光ピンセット配列 optical tweezers array~ 数 μmレーザー

原子量子ビット配列

22◆光ピンセット配列 optical tweezers array

空間光変調器
画像：浜松ホトニクス中央研究所提供

レーザー光波面を変調

数 μm 間隔

任意の配列形状が可能！
“波”の多重化 Multiplexing

詳しくは[F. Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014)]

原子量子ビット配列

23◆光ピンセット配列 optical tweezers array

空間光変調器
画像：浜松ホトニクス中央研究所提供

レーザー光波面を変調

数 μm 間隔

任意の配列形状が可能！
“波”の多重化 Multiplexing

詳しくは[F. Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014)]

原子量子ビット配列

24◆光ピンセット配列 optical tweezers array

空間光変調器
画像：浜松ホトニクス中央研究所提供

レーザー光波面を変調

数 μm 間隔

任意の配列形状が可能！
“波”の多重化 Multiplexing

詳しくは[F. Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014)]

原子量子ビット配列

25◆光ピンセット配列 optical tweezers array

空間光変調器
画像：浜松ホトニクス中央研究所提供

レーザー光波面を変調

数 μm 間隔

任意の配列形状が可能！
“波”の多重化 Multiplexing

詳しくは[F. Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014)]

原子量子ビット配列

26◆光ピンセット配列 optical tweezers array

空間光変調器数 μm 間隔

画像：浜松ホトニクス中央研究所提供

レーザー光波面を変調

任意の配列形状が可能！
“波”の多重化 Multiplexing[F. Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014)] ブレークスルー

原子量子ビットの再配列
原子集団

27

→ サイト当たり原子数 = 0 or 1個 ~ 50 %光ピンセット配列↑

ランダムに入る

10 sites

10 sites

原子量子ビットの再配列

28→ サイト当たり原子数 = 0 or 1個 ~ 50 %原子集団

光ピンセット配列↑

ランダムに入る➢ 動的光ピンセット
RF (Radio Frequency signal)

AOD

Acousto-Optic Deflector: AOD

2016年 ブレークスルー

原子量子ビットの再配列

29→ サイト当たり原子数 = 0 or 1個 ~ 50 %原子集団

光ピンセット配列↑

ランダムに入る

配列中の原子を撮影 → 再配列
A. Browaeys group, France

2016年 ブレークスルー
欠陥無し任意配列が可能に
M. Lukin group, USA[M. Endres et al., Science 354, 1024 (2016)]

J. Ahn group, Korea[D. Barredo, S. de Léséleuc et al., Science 354, 1021 (2016)][H. Kim et al., Nat. Commun. 7, 13317 (2016)]

原子量子ビットの再配列

30→ サイト当たり原子数 = 0 or 1個 ~ 50 %原子集団

光ピンセット配列↑

ランダムに入る

配列中の原子を撮影 → 再配列
A. Browaeys group, France

2016年 ブレークスルー
欠陥無し任意配列が可能に
M. Lukin group, USA[M. Endres et al., Science 354, 1024 (2016)]

J. Ahn group, Korea[D. [K-N.
Barredo,S. de Léséleuc
et al., Science
354, 1021(2020)](2016)]
Schymik
et al.,PRA
102, 063107[S.Nat.
Ebadi
et al.,7,Nature
595, 227 (2021)][H. Kim et al.,Commun.
13317 (2016)]

2次元, 数100~1000原子, 個別観測・制御できる間隔

Local addressing/Parallel addressing

31

RF (Radio Frequency signal)

AOD

Acousto-Optic Deflector: AOD
RF1 水平 : f1 , f2 , f3
RF2 垂直 : f’1 , f’2 , f’3→ 3 x 3 = 9 tweezers!

“波”の多重化 Multiplexing
Multitone signal : Arbitrary waveform generator
Figure from A. Cooper et al., PRX 8, 041055 (2018).

量子ビット32

量子ビット = 原子の電子/核スピン状態
アルカリ原子Rb, Cs

アルカリ土類（様）原子Yb, Sr

リュードベリ状態（後で）リュードベリ状態
（後で）

（準安定）
冷却・
イメージング

超微細構造
量子ビット

←冷却
＆イメージング→

トラップ

（準安定）

トラップ

核スピン
量子ビット

量子ビット33

量子ビット = 原子の電子/核スピン状態
アルカリ原子Rb, Cs

アルカリ土類（様）原子Yb, Sr

コヒーレンス時間： T1 = 1 ~ 10 s, T2 ~ 1 s >> ゲート操作時間 ~ 1 μs

超微細構造
量子ビット
核スピン
量子ビット

ゲート操作：1-qubit gate
➢ X回転ゲート: 共鳴光/マイクロ波によるラビ振動

34➢ Z回転ゲート: ライトシフトによる位相獲得

1-qubit gate fidelity ~ 99.96-99.99%[D. Bluvstein et al., Nature 604, 451 (2022),
T. M. Graham et al., Nature 604, 457 (2022).]※ Best score: Infidelity 4.7(1.1)x10-5 [PRL 121, 240501 (2018)]

コヒーレンス時間： T1 = 1 ~ 10 s, T2 ~ 1 s >> ゲート操作時間 ~ 1 μs

原子間の相互作用：リュードベリ原子
ビーム径~1 μm

単一原子~ 数 μmレーザー

中性原子 → 長距離の相互作用無し？
-

+
電気双極子

+
電気双極子

原子をリュードベリ状態 (Rydberg state)に励起する→ 双極子双極子相互作用

35

リュードベリ原子 Rydberg atom

36

リュードベリ状態/原子＝最外殻電子を高い主量子数 n に励起した状態/原子
イオン化

59
58
57
56
55
54
53

n=3
n=2

Energy+cf.) Bohr半径 a0 ~ 0.05 nm

…

e-

…

~数100 nm

レーザーでn= 数10 ~ 100

52
51
n=50

➢ 長距離相互作用

…

n=1
-

-

• 双極子双極子相互作用+→ 2次摂動 van der Waals相互作用:+✓ μmスケールでも相互作用✓ レーザー光の局所照射でON/OFF✓ 距離・主量子数nにより自由に制御可能

隣接サイト
を超えて
ゲート操作
可能

量子ゲート操作：2-qubit gate

37

◆ Controlled-Zゲート
Lukin group, Harvard“Levine gate”[H. Levine et al., PRL 123, 170503 (2019)]

複数のペアに対して並行に操作
2019年：Bell state fidelity (SPAM corrected): ≧ 97.4(3)%（2018年 忠実度低減要因の同定[PRA 97, 053803(2018)]がきっかけ：ブレークスルー）→ 2023年 4月 同groupによりCZ gate fidelity (SPAM corrected) = 99.52(4)% 達成[S. J. Evered et al., Nature 622, 268 (2023)]

ゲート操作時間 ~ 0.2 μs << コヒーレンス時間cf.) T1 = 1 ~ 10 s, T2 ~ 1 s

読み出し

38

原子に近共鳴光(イメージング光)を当て、原子からの蛍光をカメラで観測
4 μm

対物
レンズ
EMCCD / sCMOS camera
Background

光ピンセット配列光

Fluorescencefrom atoms

ANDOR website

原子が 光っている/光っていない を判定
Readout fidelity ~ 99.8% [Nature 626, 58 (2023)]

Quantum circuits
Saffman group, University of Wisconsin-Madison+ ColdQuanta (Infleqtion) [Nature 604, 457 (2022)]

Quantum phase estimation

QAOA algorithm for solving MaxCut

39

動的光ピンセットによる量子ビット輸送
Lukin group, Harvard
Nature 604, 451 (2022)

格納
領域
操作
領域
Zoned architecture

動的光ピンセットにより全結合が可能に！

40

動的光ピンセットによる量子ビット輸送
Lukin group, Harvard
Nature 604, 451 (2022)

Dynamical decoupling (XY16-128)
輸送前後でfidelityの優位な劣化なし

格納
領域
操作
領域
Zoned architecture

動的光ピンセットにより全結合が可能に！

41

Breaking News!!! Logical quantum processor
2023年12月

From Mikhail Lukin group @ Harvard/MIT with QuEra Computing
Here we report the realization of a programmable quantum processor based on
encoded logical qubits operating with up to 280 physical qubits.
…, we realize computationally complex sampling circuits with up to 48 logical qubitsentangled with hypercube connectivity with 228 logical two-qubit gates and 48 logical
CCZ gates. …

→ Published: D. Bluvstein et al. Nature 626, 58 (2023).

42

Breaking News!!! Logical quantum processor
2023年12月

Supplementary video

From Mikhail Lukin group @ Harvard with MIT, QuEra Computing

Here we report the realization of a programmable quantum processor based on
encoded logical qubits operating with up to 280 physical qubits.
…, we realize computationally complex sampling circuits with up to 48 logical qubitsentangled with hypercube connectivity with 228 logical two-qubit gates and 48 logical
CCZ gates. …

→ Published: D. Bluvstein et al. Nature 626, 58 (2023).

43

Harvard Lukin group, Bluvstein et al., Nature (2023)
Ancilla qubit formeasurement

Locally-addressed 1Q gate

[Nature 626, 58 (2023)]

Transversality

Zoned
architecture

Local imaging without perturbing
the qubits in the other zones

44

Fast feedback
with FPGA

Harvard Lukin group, Bluvstein et al., Nature (2023)
Logical qubit

Postselecting on ancilla flags

Postselecting on ancilla flags+stabilizers

45[Nature 626, 58 (2023)]

Harvard Lukin group, Bluvstein et al., Nature (2023)

46[Nature 626, 58 (2023)]

Harvard Lukin group, Bluvstein et al., Nature (2023)

47[Nature 626, 58 (2023)]

Logical qubit冷却原子型量子コンピュータ

開発企業

48

M SQUARED,UK
planqc, Germany

QuEra Computing, US

PASQAL, France
atom computing, US

Infleqtion/ColdQuanta,
USAdvantage/Disadvantage ＋展望
Advantage

49
Key development- Scalability: マシンサイズを変えず1,000 ~ 10,000原子配列- 高出力レーザー- 光学系デザイン

6100原子- 配列アルゴリズム[Endres group, Caltech arXiv 2403.12021 (2024)]

展望：
1M量子ビット? 1G量子ビット?
→ 光格子 cavity-enhanced lattice→ Photonとの結合, モジュラー化[PRXQ 3, 030314 (2022)]

Advantage/Disadvantage ＋展望
Advantage

50
Key development- Scalability: マシンサイズを変えず1,000 ~ 10,000量子ビット- 高出力レーザー- 光学系デザイン

展望：1M量子ビット? 1G量子ビット?
→ 光格子 cavity-enhanced lattice- 配列アルゴリズム→ Photonとの結合, モジュラー化- Connectivity: 任意形状、原子輸送による全結合 = transversal gate

- 移動速度・時間

Long-range 2-qubit gate, Native CCZ gate

- 輸送最適化

展望：冷却原子系に特化したアルゴリズム・アーキテクチャ- アルゴリズム開発

Rb, CsYb, Sr[PRX 12, 021049 (2022)][Nat. Commun. 13, 4657 (2022)]

Advantage/Disadvantage ＋展望
Advantage- Scalability: マシンサイズを変えず1,000 ~ 10,000量子ビット
展望：1M量子ビット? 1G量子ビット?
→ 光格子 cavity-enhanced lattice51
Key development- 高出力レーザー- 光学系デザイン- 配列アルゴリズム→ Photonとの結合, モジュラー化- Connectivity: 任意形状、原子輸送による全結合 = transversal gate

- 移動速度・時間

Long-range 2-qubit gate, Native CCZ gate

- 輸送最適化

展望：冷却原子系に特化したアルゴリズム・アーキテクチャ- アルゴリズム開発- High degree of freedom in atoms: 軌道・電子/核スピン・運動自由度

多様なエネルギー準位, 原子種（1電子原子Rb, Cs, K, … / 2電子原子 Yb, Sr）
展望：異種(同位体)原子混合系によるreadout/誤り訂正

87Rb & 85Rb

Wuhan, Zhan group,[PRL 128, 083202 (2022)]

Advantage/Disadvantage ＋展望
Disadvantage- Slow clock speed:•

ゲート：1 ~ sub µs→ 超高速ゲート操作：~ns 分子研•

測定：1 ~ sub ms→ Cavity QED?

•

原子輸送： 1 ~ sub ms→ 原子輸送と局所操作の組み合わせ•

初期準備： ~10 ms→ 連続的に原子を供給(原子冷却)[Saffman group, Nature 604, 457 (2022)][Atom Computing, Inc., arXiv 2401.16177(2024)]52分子科学研究所での開発

53

2019年～：光ピンセット配列型冷却原子系を開発

トラップレーザー
光ピンセット任意配列

空間光変調器2019.112020.012020.072020.09

Single atom

20 atoms

100 atoms

225 atoms

2021.01

800 atoms

87Rb

5 µm

(平均画像)

200 µm分子科学研究所での開発

54

2019年～：光ピンセット配列型冷却原子系を開発
800サイト400原子量子ビット
原子蛍光（リアルタイム） 原子蛍光（平均画像）
4 μm

4 μm
トラップレーザー

光ピンセット任意配列

2019.112020.012020.07

Single atom

20 atoms

100 atoms

2020.0920原子225 atoms

40原子

空間光変調器

2021.01

800 atoms

87Rb

5 µm

(平均画像)

200 µm分子科学研究所での開発

55➢ 動的光ピンセットによる50原子の再配列
単一Rb原子
6 μm

6 μm

光パターン

➢ 世界最小間隔原子ペア配列の生成
短距離

相互作用大 ＝ 高速

分子科学研究所での開発

冷却原子型
量子コンピュータ

56

ピコ秒パルスレーザーシステム

Ultrafast Rydberg physics!

36

分子科学研究所での研究 – 概要 –◆ 連続波レーザーとパルスレーザー
E

E

ずっと光る

一瞬だけ光る10 ps (pico = 10-12)

単一周波数 f0tt
連続波レーザー(Continuous Wave laser: CW laser)

パルスレーザー(Pulse laser)

周波数成分

幅広い周波数を含む
バンド幅が広い：広帯域~ 100 GHz = (10ps)-1
f0

f

f0

f

なぜパルスレーザー？

58
連続波
レーザー
による励起

パルスレーザーによる励起

Ultrafast

1 ps

10 ps

100 ps1 ns

リュードベリ原子間の相互作用リュードベリ状態の寿命

10 ns

パルスレーザーを用いたリュードベリ原子間相互作用時間ナノ秒→ 原子間相互作用で律速（これ以上速くできないスピード限界）

100 ns

1 μs

10 μs

100 μs

1 ms

従来のリュードベリ原子間相互作用時間
マイクロ秒→ 連続波レーザーによる励起時間で律速（ブロッケードゲート）＋ リュードベリ状態にいる間に生じるノイズ（緩和過程・電磁場ノイズ）から解放

ナノ秒スケールの超高速相互作用59[Ohmori group, Y. Chew et al., Nature Photonics 16, 724 (2022)]~10 ps

6.5 ns

ピコ秒パルス
超高速励起
リュードベリ状態

リュードベリ状態

Interaction area

Förster振動ナノ秒スケールの超高速相互作用60[Ohmori group, Y. Chew et al., Nature Photonics 16, 724 (2022)]~10 ps

6.5 ns

ピコ秒パルス
超高速励起
リュードベリ状態

リュードベリ状態

Interaction area

CZゲート!
これまでの冷却原子型CZゲートより2桁高速→ リュードベリ状態滞在時間短縮,
エラー低減の新しい方向性ムーンショット目標６：誤り耐性型汎用量子コンピュータ

https://www.jst.go.jp/moonshot/program/goal6/index.html
https://www.jst.go.jp/moonshot/program/goal6/69_ohmori.html

61

ムーンショット目標６：誤り耐性型汎用量子コンピュータ
大規模・高コヒーレンスな動的原子アレー型・誤り耐性量子コンピュータ

Infleqtion (ColdQuanta)
Vice President for Quantum Computing

Thomas Noel
パッケージ化された大規模原子アレー用小型光学系の開発

62

学生・研究者募集！
大森賢治グループ@ 分子科学研究所➢ ソフトウェア・電気回路・システムアーキテクチャ・メカニクス・光学…

➢ ポスドク・学生・技術者・サポートメンバー…

【News!】さらなる発展に向けて…
→ スタートアップ企業設立に向けて活動中

授業動画＠youtube
量子技術教育プログラム（QEdプロジェクト）

富田まで… Contact：tomita@ims.ac.jp

まとめ

64

冷却原子型量子コンピュータ 近年のいくつかのブレークスルーにより急速に発展をとげている 2次元原子配列 ~ 数10~数100量子ビット（さらに拡大）

 長いコヒーレンス時間
 リュードベリ状態+動的光ピンセットによる量子ビットの輸送 ⇒ 全結合可能
 材料はそろいつつある → 統合し始めている

分子科学研究所
 冷却原子型量子コンピュータ開発中

 パルスレーザーによる超高速ゲート操作
メッセージ：➢ これからやるべきことはたくさんある➢ 基礎研究（実験/理論）＋エンジニアリング 両方➢ 人材・環境・エコシステムの構築