特集

新原理コンピュータへの取り組み

量子コンピュータ

コヒーレントン
イジングマシング
量子アニーリ

新原理コンピュータへの取り組み
現代のコンピュータとは異なる原理で動作する，量子コンピュータやイジングマシンなど非ノイマン型のコンピュータが注目を集めています．組合せ最適化問題，量子化学計算，素因数分解など特定の問題において威力を発揮しますが，どれも社会にインパクトのあしろう

ごとうる重要な問題であるため，精力的に研究が進められています．本特齊藤

集では，新原理コンピュータの進展を解説しながら，NTT 研究所

NTT 物性科学基礎研究所† 1における理論と実験に関する取り組みを紹介します．

NTT 物性科学基礎研究所

新原理コンピュータ

志郎後藤

†1

ひでき秀樹

所長† ２

である量子ビットは “ 0 ” と “ 1 ” の任意の重ね合わせ状態を実現できます．量子ビットを N

現在の半導体業界には「集積回路上のトラ個準備すると，2N 個の状態の重ね合わせをンジスタの数が18カ月ごとに倍になる」とい表現することができ，量子ビットの数を増やうムーアの法則と呼ばれる経験則が存在しますと重ね合わせの状態数が指数関数的に増えす．実際に半導体素子はこの法則に従い微細ます．この膨大な数の重ね合わせ状態に対し化が進み，コンピュータの性能は年々向上して演算を進めることで超並列計算が可能となています．この経験則が今までどおり実現さり，量子コンピュータの速さの要因となってれていくと，トランジスタのサイズが微小化います．また，量子コンピュータでは量子ビッし，原子サイズで限界を迎えます．しかし，トの波としての性質を利用し，量子ビット間その前に量子効果が現れ従来の電気回路の法の位相の干渉効果により，超並列計算の結果則が成り立たなくなる「量子力学の壁」があから所望の解を見つけ出します．従来の逐次るといわれています．量子力学の世界には，計算に基づくノイマン型のコンピュータとは重ね合わせ状態，粒子と波動の二重性など古異なり，量子コンピュータのように，新しい典力学ではみられない不思議な性質がありま原理で動作する非ノイマン型のコンピュータす．これらの性質を積極的に利用し従来とはが近年注目を集めています．本特集では，異なる原理で動作するコンピュータが量子コNTT 研究所における新原理コンピュータにンピュータです．現在の情報処理では，“ 0 ”関する取り組みを，理論と実験の両面から紹と “ 1 ” の 2 値を取り得るビットを用いて計算介します．

が進みますが，量子コンピュータの基本素子

12

さいとう

2021.3

新原理コンピュータは大きく分けて 2 つの†2

特集

タイプ，すなわち汎用量子コンピュータと量発生するため，量子誤り訂正用の冗長な量子子アニーリングマシンに分けられます．前者

ビット，すなわち膨大な数の量子ビットが必は，多数の量子ビットを基底状態に準備し，要となります．例えば，2048ビットの数を因

図 1（a）に示すように 1 量子ビットゲート操数分解するために 2 千万個の量子ビットが必作と 2 量子ビットゲート操作を繰り返しなが要という試算があります（1）．この規模の量子ら計算を進めます．因数分解や大規模検索にビットを現在の技術で作製することは非常に関する量子アルゴリズムが発見されており，困難です．後者は，図 1（b）に示すように，古典アルゴリズムよりも高速化されることが多数の量子ビットをすべての状態の重ね合わ理論的に証明されています．しかし，量子せ，すなわち高温状態に準備し，徐々に冷却ビットは外部ノイズに弱く，エラーが頻繁にすることでエネルギー最低状態（正解）を見つけ出します．途中，局所的な安定点からは量子的なトンネル効果で抜け出すことができ

1 量子ビットゲート

初期状態

0U0U0U0U0U

測定るため，古典的なアニーリングアルゴリズムよりも速く正解に到達するといわれていまU

す．量子性による高速化は厳密には証明されていませんが，社会的ニーズの高い組合せ最U

U

適化問題の近似解が得られるため，注目を集めています．また，安定な状態をゆっくりと2 量子ビットゲート（a） 汎用量子コンピュータのゲート演算変化させながら計算が進むため外部ノイズに強いという特徴もあります．このタイプのコンピュータでは，最適化問題を物理系に実装システムのエネルギー高温状態する際に，イジングモデルと呼ばれる相互作量子トンネル用するスピン系を表す物理モデルが使われるため，イジングマシンとも呼ばれています．

局所解

正解
量子ビットの状態（b） 量子アニーリングマシンの動作原理

イジングマシン
超伝導量子ビットを用いた汎用量子コンシステムのエネルギーピュータの研究において， 2 量子ビットゲート操作を実証， 3 量子ビットのもつれ状態を局所解

正解に， カ ナ ダ の ベ ン チ ャ ー 企 業 D-Wave

低温状態

Systems から衝撃的なニュースが発表され量子ビットの状態ました．128量子ビットを実装した量子アニー（c） コヒーレントイジングマシンの動作原理

図1

観測といった成果が報告されていた2011年

新原理コンピュータ

リングマシン（D-Wave One）が世界初の商用量子コンピュータとして発表されたのです．これは，超伝導量子ビットを用いて計算

2021.3

1₃

特集

新原理コンピュータへの取り組みするイジングマシンです．超伝導ニオブを用ます．DOPO の量子的性質が計算機としていた D-Wave One の量子ビットは，汎用量の性能にどう寄与しているかはまだ研究途上

子コンピュータで用いられるアルミニウム製ですが，MaxCut 問題と呼ばれる典型的なの量子ビットと比較して，圧倒的に量子情報組合せ最適化問題において，古典アニーリンのメモリ時間が短いため，当時，量子性を疑グアルゴリズムと比較して，高速化が実証さう研究者もいましたが，その後の実証実験でれています（2）．本特集記事『コヒーレントイ

量子性による高速化が確認されています．

ジングマシンと量子アニーリングの性能比較

2013年には512量子ビットの D-Wave Two，（3）実験』
では，コヒーレントイジングマシン

2015年 に は1000量 子 ビ ッ ト 超 の D-Waveと D-Wave Systems 社の量子アニーリン

2X，2017年には2048量子ビットの D-Wave

グマシンの比較実験を紹介します．

2000Q，2020 年 に は 5000 量 子 ビ ッ ト 超 のD-wave advantage を発表しており，世界14汎用量子コンピュータ中の企業が同社の提供するクラウドサービス

今から20年ほど前は，量子コンピュータのを利用し，量子イジングマシンのビジネス利基本素子である量子ビットをいかに実現する用に関する研究開発を進めています．しかかが問題となっていました．量子ビットにはし，実際のビジネス応用にはさらなる大規模“ ０ ” と “ １ ” の重ね合わせ状態を実現するため化が必要となります．さらに，超伝導量子の量子 ２ 準位系が必要ですが，どのような物ビットはチップ上の固体素子であるために，理系を用いるべきか議論されていました．量

量子ビット間の結合が近接量子ビット間に限子情報のメモリ時間の長い原子や電子は有望られるという制約があります．そのため，最だが集積化が難しい，逆にメモリ時間は短い

適化問題を量子アニーリングマシンに実装すが半導体や超伝導量子ビットは固体素子である際には，問題のサイズよりも多くの量子ビッるために半導体集積化技術が使える，光量子トが必要になります．

ビットは光通信との相性が良いなど，さまざ

一方，NTT 研究所では，縮退光パラメトまな候補が検討されました．実は，この議論

リック発振器（DOPO）を人工スピンとしは現在も続いており，それぞれの物理系がそて用い，多数の DOPO パルスを光ファイバ

れぞれの特徴を活かして発展してきました．

共振器中に閉じ込めることにより，スピン間超伝導量子コンピュータは50～70量子ビッの全結合を実装可能なコヒーレントイジング

ト，イオントラップ量子コンピュータは32量マシン（CIM）を開発しました．ファイバ共子ビット，半導体ドット量子コンピュータは振器の全長を延ばすことで，人工スピンの数２ ～ ３ 量子ビットの集積度を達成していまを増やすことが可能なため，固体素子と比べす．特に，2019年に Google から発表された，て，大規模化が比較的容易であると考えられ53量子ビットを有する超伝導量子コンピューます．CIM では，DOPO の励起光の強度をタが従来のスーパーコンピュータを上回った

徐々に強めることにより，図 １（c）に示すよとする「量子優位性の実証」は大きな話題とうに低温側から解を探索し，系のエネルギーなりました（4）．量子コンピュータが得意とすが最適解に到達した時点で，正解がみつかりる問題を解かせた結果で，すべての問題にお2021.3

特集

いて量子コンピュータが優れていることを実基礎物理の研究から，局所的な高感度磁場セ証したわけではありませんが，非常に重要なンサへの応用（6）まで，さまざまな取り組みをマイルストーンを達成したといえます．この行ってきました．本特集記事『ボソニック量マイルストーン達成に向けた超伝導量子ビッ子計算に向けた長寿命周波数可変量子ビットの発展を図 2 に示します．1999年に初めて（7）ト』
では，NTT の超伝導量子ビットが世界超伝導量子ビットが動作したときはメモリ時最高レベルのメモリ時間を記録した成果（図間が １ ns と短く，非常に難しい実験でした

2（a））と，量子コンピュータへの応用の可が，2012年ごろには約100 μs まで延びて 5能性を紹介します．

桁も改善しました．その後，メモリ時間はそ誤り耐性量子コンピュータに向けてれほど延びていませんが，チップ上の量子ビット数が急激に増えています．これは，同時期量子優位性が示されたというニュースを聞に集積化に向けて最低限必要なメモリ時間がくと，実用的な量子コンピュータがもうすぐ達成されたため，多くの研究機関で研究の方実現されるのではと思われるかもしれません

向性がメモリ時間延長から集積化へシフトしが，実は道のりは長いといわざるを得ません．

たためと考えられます．こうして，現在では現状の汎用量子コンピュータは集積度が50量Google，IBM，Intel が50量子ビットの超伝子ビット程度です．さらにノイズの影響で量導量子コンピュータチップを開発し，量子優子情報が時間とともに失われ，ゲート操作が位性が示されるまでに発展しました．

誤りを伴うため，何回もゲート操作を繰り返NTT 研究所では，現在の超伝導量子コンすような複雑な計算を実行することができま

ピュータチップに集積化されている量子ビッせん．このように機能や規模において制約のトとは異なるタイプの超伝導量子ビットの研

あ る 量 子 コ ン ピ ュ ー タ は NISQ（Noisy究を続けてきました．その特性を活かして，Intermediate-Scale Quantum）デバイス

巨視的量子重ね合わせ状態の検証（5）といったと呼ばれています．NISQ デバイスでも量子（μs）

0.001
2000

NTT
（日）
IBM（米）IBM（米）

Saclay（仏）

Yale（米）MIT,NEC（米日）

Yale
（米）

Delft
（蘭）
NEC（日）

Delft
（蘭）

0.01

Saclay（仏）

0.1

NEC（日）

1

エネルギー緩和
位相緩和
2005

2010
年

2015

2020

チップ上の量子ビット数

量子情報のメモリ時間

10MIT（米）100100101（a） 超伝導量子ビットにおける量子情報のメモリ時間

図22000

2005

2010
年

2015

2020

（b） 超伝導量子ビットの集積化

超伝導量子ビットの発展

2021.315

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新原理コンピュータへの取り組み

優位性を示すことから，量子のポテンシャル量子機械学習や量子化学計算への応用が検討をうかがい知ることができますが，実用に堪されています．NTT 研究所では，計算理論え得る大規模で複雑な量子計算を実行するたや情報理論の知見に基づいて，NISQ デバイ

めには誤り耐性量子コンピュータが必要となスの能力を最大限利用するための研究を進めります．そのためには，複数の量子ビット（物ています．本特集記事『量子コンピュータの理量子ビット）を準備し冗長性を持たせるこ

実装技術の課題克服に向けた理論面からの取とで，誤り訂正可能なノイズに強い 1 つの量（10）り組み』
では，操作可能な手段を制限する子ビット（論理量子ビット）を構成します．

ことでノイズを除去する，あるいは初期化ささらに，物理量子ビットを制御するレイヤ，れていない量子ビットを高速アルゴリズムで論理量子ビットを制御するレイヤ，その上位有効活用するなど，NISQ デバイス＊ の性能のアルゴリズムを実行するレイヤなど複雑なを向上する方法を紹介します．さらに『量子レイヤ構造が必要となります．本特集記事（9）
情報処理の誤り耐性技術とその実装方式』（8）『量子コンピュータの設計に向けて』
では，

では，NISQ デバイスのノイズを補償する手

誤り耐性量子コンピュータがどのようなレイ法として，計算コストは増えるが量子ビットヤ構造を持つシステムとなるべきかを理論的数を増やす必要のない量子誤り抑制についてに検討した結果を紹介します．より具体的に解説します．

は，論理量子ビットを構築するためには，多数の物理量子ビットを集積化するだけではな

今後の展開

く，ソフトウェアの開発も必要です．例えば，20年前は， １ 量子ビットを実装するための個々の物理量子ビットの特性を評価したの研究が行われ，量子コンピュータは100年先ち，制御系を効率良く校正するプログラムがの技術ともいわれていました．10年前は， ２必要です．さらに，誤り訂正のための演算や量子ビットゲートが実現し，どのように量子フィードバック回路を設計します．この設計ビットの数を増やしていくかが研究対象となを評価するためには量子回路シミュレータがり，量子コンピュータは50年後には実現の可必須です．本特集記事『量子情報処理の誤り能性があるという声が聞かれるようになりま

耐性技術とその実装方式』 では，このようした．現在は，数十ビットの量子コンピューな誤り耐性量子計算に向けたソフトウェア基タが動作し，量子優位性が示されています．

盤の研究開発を紹介します．

さらに数千ビットを有するイジングマシンが（9）冒頭でも述べたように，誤り耐性量子コン実現され，一部商用化されています．国のプピュータには， ２ 千万個の物理量子ビットがロジェクトでは，30年後の誤り耐性量子コン必要といわれています．そのための量子ビッピュータの実現が目標に掲げられるようになト集積化技術や制御技術は日進月歩で進化しりました．このように新原理コンピュータにていますが，まだまだブレイクスルーが必要です．近い将来の目標としては，誤り訂正をしない NISQ デバイスを高性能化し，従来型コンピュータとハイブリッド化することで，162021.3＊ ここでの「NISQ デバイス」とは，誤り訂正機能を備えたフルスペックの量子コンピュータが完成するまでに得られる，機能に制約のある量子コンピュータ全般を広く意味しており，本記事で紹介する技術は，必ずしも近い将来に使用可能であるわけではありません．

特集

関しては加速度的に研究が進み，研究者も増え，裾野が広がっていると思います．とはいえ，道のりが長いことも確かです．実験研究者にとっては，大規模化に向けたブレイクスルーが必須です．現代の LSI（大規模集積回路）のようにイールドの高いプロセス技術，制御系も含めた集積化技術，あるいは，分散量子コンピューティングに向けたネットワー
ク技術が必要になるかもしれません．理論研
究者にとっては，リソースのかからない量子（5） 角柳 ・ 松崎 ・ 樋田 ・ 山口 ・ 齊藤 ・ Munro：“ 巨視的スケー
ルでの実在性の破れを実証，” NTT 技術ジャーナル，Vol.
29，No. 5, pp. 20-23，2017．
（6） Focus on the News：“ 超伝導量子ビットによる高感度 ・ 高空間分解能電子スピン共鳴に成功，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 31，No. 8, pp. 71-72，2019．
（7） Abdurakhimov ・ Mahboob ・ 樋田 ・ 角柳 ・ 齊藤：“ ボソニッ
ク量子計算に向けた長寿命周波数可変量子ビット，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 33，No. 3, pp. 23-29，2021．
（8） Munro ・ Bastidas ・ 東 ・ 根本：“ 量子コンピュータの設計に向けて，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 33，No. 3, pp. 30-36，2021．
（9） 徳永 ・ 鈴木 ・ 遠藤 ・ 浅岡：“ 量子情報処理の誤り耐性技術とその実装方式，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 33，No. 3,pp. 43-48，2021．
（10） 秋笛 ・ 竹内 ・ 高橋 ・ 加藤 ・ 谷：“ 量子コンピュータの実装
技術の課題克服に向けた理論面からの取り組み，” NTT 技術
ジャーナル，Vol. 33，No. 3, pp. 37-42，2021．

誤り訂正符号や新しい量子アルゴリズムなどのブレイクスルーが期待されます．あるいは，非凡な科学者が全く新しいアイデアを提案し，問題解決が一気に進むかもしれません．
いずれにせよ，何が起こるか分からない挑戦的なテーマであることは確かであり，今後も，この分野の発展を注視していきたいと思います．
■参考文献（1） C. Gidney and M. Ekera: “How to factor 2048 bit RSA
integers in 8 hours using 20 million noisyqubits，” arXiv:1905.09749，2019.
（2） 武居 ・ 稲垣 ・ 稲葉 ・ 本庄：“ 複雑な組合せ最適化問題を解
く量子ニューラルネットワーク，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 29，No. 5, pp. 11-14，2017．
（3） 武居 ・ 稲垣 ・ 稲葉 ・ 本庄：“ コヒーレントイジングマシンと量子アニーリングの性能比較実験，” NTT 技術ジャーナル，Vol. 33，No. 3, pp. 18-22，2021．
（4） F．Arute，K．Arya，R．Babbush，D．Bacon，J．C．
Bardin，R．Barends，R．Biswas，S．Boixo，F．G. S. L.
Brandao，D．A. Buell，B．Burkett，Y．Chen，Z．
Chen，B．Chiaro，R．Collins，W．Courtney，A．
Dunsworth，E．Farhi，B．Foxen，A．Fowler，C．
Gidney，M．Giustina，R．Graff，K．Guerin，S．
Habegger，M．P. Harrigan，M．J. Hartmann，A．Ho，M．
Hoffmann，T．Huang，T．S. Humble，S．V. Isakov，E．
Jeffrey，Z．Jiang，D．Kafri，K．Kechedzhi，J．Kelly，P．
V. Klimov，S．Knysh，A．Korotkov，F．Kostritsa，D．
Landhuis，M．Lindmark，E．Lucero，D．Lyakh，S．
Mandrà，J．R．McClean，M．McEwen，A．Megrant，X．
M i ，K ．M i c h i e l s e n ，M ．M o h s e n i ，J ．M u t u s ，O ．
Naaman，M．Neeley，C．Neill，M．Yuezhen Niu，E．
Ostby，A．Petukhov，J．C．Platt，C．Quintana，E．G．
Rieffel，P．Roushan，N．C．Rubin，D．Sank，K．J．
Satzinger，V．Smelyanskiy，K．J．Sung，M．D．
Trevithick，A．Vainsencher，B．Villalonga，T．White，
Z．J．Yao，P．Yeh，A．Zalcman，H．Neven，and J．M．
Martinis：“Quantum supremacy using a programmablesuperconducting processor，” Nature，Vol．574，pp．505510，Oct．2019.

（左から）齊藤  志郎 / 後藤  秀樹
研究の初期段階では，理論と実験が理想と現実の両極から攻めますが，新原理コンピュータの研究は両者の距離が近づいてきていると思われます．
NTT 研究所の所を横断したコラボレーションが進むことを期待しています．

◆問い合わせ先NTT 物性科学基礎研究所
量子科学イノベーション研究部
TEL 046-240-3327
FAX 046-240-4722
E-mail shiro.saito.bx hco.ntt.co.jp

2021.317