アト秒・ナノメートル精度の超高速量子シミュレータの開発と量子コンピューティングへの応用
自然科学研究機構・分子科学研究所
光分子科学研究領域研究主幹・教授 大森賢治

10 µm → 760 nm
633 nm
820 nm
NA: 0.045 NA: 0.75

量子シミュレータとは？

量子シミュレータ
量子多体問題のシミュレーションに特化した量子コンピュータ

量子多体問題
相互作用する３粒子以上の量子力学的な問題

強相関系
強く相互作用する多数の粒子の集団2量子シミュレータとは？
光格子中の冷却原子を使ってハバード模型をシミュレートする理論提案；
超流動 – Mott絶縁体相転移
D. Jaksch et al, Phys. Rev. Lett. 81, 3108 (1998).
D. Jaksch

実験: M. Greiner et al, Nature 415, 39 (2002)
位相コヒーレンス
位相コヒーレンス
コヒーレンス消失573
ポスト「京」スパコンで10 年かかる計

算が1秒以下でシミュレートできる
干渉する
干渉しない
干渉する

超流動

Mott絶縁体

超流動

https://www.quantum-munich.de/media/mott-insulator/3量子シミュレータとは？
EC Future & Emerging Technologies (FET) Flagships:
10億ユーロ / 10年（2018 - 2027）
http://qurope.eu/system/files/u7/93056_Quantum%20Manifesto_WEB.pdf

量子シミュレータ

量子シミュレータは主要各国の量子科学技術政策におけるキラーコンテンツの一つ4量子シミュレータの実装方式

方式

利点

冷却原子・分子・サイトの均一性
・コヒーレンス
・大規模化

イオントラップ

・単一サイトの制御性
・コヒーレンス

超伝導量子ビット ・単一サイトの（量子アニーリング）
制御性

最大サイト数課題

研究グループ・単一サイトの制御性

Bloch@MPQ（ドイツ）,
Greiner@Harvard大（米国）,
Esslinger@ETHZ（スイス）,
Ye/Jin@JILA（米国）,
Ketterle@MIT（米国）, etc.

・サイトの均一性・大規模化

Monroe@JQI（米国）,
Blatt@Innsbruck大（オーストリア）,
Bollinger@NIST（米国）
Wineland@NIST（米国）, etc.

・サイトの均一性
約2000サイト・コヒーレンス(~60論理ビット)
・大規模化

Martinis@UCSB（米国）,
D-Wave Systems（カナダ）, etc.

数10万サイト約300サイトここ１、２年で状況が激変しつつある5

どうやって強相関系を創り出すか？

➢ できるだけ遠くまで力を及ぼす粒子を使って組み立てる（極低温：マイクロ〜ナノケルビン）➢ 「リュードベリ原子」が最も期待されている

6

リュードベリ原子とは？
➢ 電子が原子核から遠く離れたリュー

リュードベリ軌道

ドベリ軌道と呼ばれる電子軌道上を電子運動している原子➢ 原子核の近くを回っている電子を光でリュードベリ軌道に励起して作ることが出来る

原子核➢ 正の電荷を持つ原子核と負の電荷を持つリュードベリ電子の距離が長いので強い電気双極子モーメントが発生する

数100ナノメートル以上（通常は0.6ナノメートル程度）
ナノ = 10−９7

リュードベリ原子の利点：
1.相互作用をオン・オフできる
2.相互作用の強さを調節できる

12 orders

リュードベリ原子の巨大な双極子モーメント

中性原子の電子基底状態

M. Saffman et al. Rev. Mod Phys. 82, 2313 (2010).
8

リュードベリ原子の強相関状態
リュードベリ原子の集合体を作ることができれば多数のリュードベリ原子が同時に相互作用する強相関系になるはず

9

従来技術とその問題点

リュードベリ原子の問題点１
リュードベリ・ブロッケード

電子

電子

原子核
周囲の原子

(a-1)

レーザー光の強度×

従来使われていたレーザー光

リュードベリ
軌道

レーザー光

レーザー光

エネルギー

電子

0
時間
(a-2)

DE

リュードベリ原子

周囲の原子の電子をリュードベリ軌道に励起することができない

0
エネルギー
11

リュードベリ原子の問題点１
リュードベリ・ブロッケード

×

リュードベリ
軌道

レーザー光

レーザー光

エネルギー

電子

電子

原子核
周囲の原子

リュードベリ原子集団の中に１個のリュードベリ原子しか存在できない12

リュードベリ原子の問題点２
時間スケールの問題リュードベリ原子間の強い相互作用のせいで、それらの量子力学的な状態が100ピコ秒スケールで刻々と変化し続けることが予想される。これまでの量子シミュレータ開発で想定されていた時間変化よりも1000万倍以上も速い。
（ピコ = 10-12）13新技術の特徴・
従来技術との比較

二つの本質的な問題点の解決
従来使われていたレーザー光
レーザー光の強度

(a-1)

(a-2)

DE

0時間

エネルギー

私達が新たに導入したレーザー光（ピコ = 10-12）

レーザー光の強度(b-1)

〜10ピコ秒(b-2)> 106DE

0時間

エネルギー
15

問題点１の解決
リュードベリ・ブロッケードを回避(b-1)（ピコ = 10-12）

レーザー光の強度〜10ピコ秒

原子核
周囲の原子

私達が新たに導入したレーザー光

リュードベリ
軌道

レーザー光

レーザー光

エネルギー

電子

0時間
(b-2)

> 106DEリュードベリ原子周囲の原子の電子をリュードベリ
軌道に励起することができる

0エネルギー16問題点１の解決リュードベリ・ブロッケードを回避
リュードベリ軌道

レーザー光

レーザー光

エネルギー

電子

原子核周囲の原子

リュードベリ原子全ての原子をリュードベリ原子にすることができる
17

問題点２の解決
従来の1000万倍以上速い現象の観測
私達が新たに導入したレーザー光（ピコ = 10-12）

レーザー光の強度(b-1)

〜10ピコ秒(b-2)> 106DE

0
時間

エネルギー

レーザーパルスの時間幅は予想される量子力学的な状態変化の時間スケール100ピコ秒よりもはるかに短いため、この変化をリアルタイムに観測できるはず。

18

分子研・大森グループの超高速量子シミュレータ・プロトタイプ
原子レベルで動作する世界最速の量子シミュレータ（Nature Commun. 2016 ； Scienceハイライト ； 英国物理学会ハイライト；etc.）
強相関・極低温リュードベリ原子集団における1フェムト秒オーダーの超高速・多体電子ダイナミクスをアト秒精度で制御・観測する新しい光技術
長距離イジング模型の時間発展を実装

光双極子トラップ@ ~70mK~ 30mm

極低温ルビジウム原子集団

リュードベリ電子

超高速コヒーレント制御と極低温物理が融合した新しい科学技術の始まり（JST・CREST研究 2010-2016；科研費・特別推進研究 2016-；Q-LEAP 2018-）
PRA 94, 053607 (2016); Acc. Chem. Res. 51, 1174 (2018); PRL 121, 173201 (2018) etc.

19

分子研・大森グループの超高速量子シミュレータ・アップグ
レード

Rb原子のボース・アインシュタイン凝縮体(< 80nK)
数ミクロンサイズのMott絶縁体

光格子

532nm

（交差するレーザ光の定在波）

20

大森グループの超高速量子シミュレータ・ハードウェア

従来より３桁高い
リュードベリ励起密度

電子で電子をシミュレート

分子研・大森グループの超高速量子シミュレータ （「経産省2018年度版ものづくり白書」より）

イジング模型・ハバード模型など各種量子格子模型のダイナミクスの超高速量子シミュレーションに対応
特許公開番号：米国US 2018/0292786 A1；日本2018-180179,「量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法」,
酒井寛人（浜松ホトニクス）, 大森賢治（自然科学研究機構）他,
公開日： 2018年10月11日 (米国); 2018年11月15日 (日本).
21想定される用途

超高速量子シミュレータの用途

1. 量子磁性の理解（→ 磁性材料の開発）
2. 超伝導現象の解明（→ 高温超伝導材料の開発）
3. 未知の量子現象の探索と応用
例）トポロジカル現象の理解とトポロジカル材料・デバ
イス開発への応用

4. 量子アニーラへの応用（近未来の社会実装）
23

量子アニーラとは？
組み合わせ最適化問題に特化した量子コンピュータ
複数の組み合わせの中から欲しい価値を最大にするものを選ぶ問題例） 宅急便の配送経路の距離を最小（効率を最大）にしたい：
配達先30地点だと配送経路の組み合わせの数は10の32乗。
スパコンで1000万年以上かかるが量子アニーラだと１秒以下。
価値を下げるコストを数値化したコスト関数を量子スピン系（例えば２準位系の原子の集合）のエネルギーにマップして、エネルギーを最小（コストを最小）にする準位の組み合わせ（↑↓↑↑↓... ）を探索する。古典計算機（スパコン）は全ての組み合わせのコストを１つずつ計算する必要があるが、量子アニーラは全ての組み合わせのコストを同時に比較するので桁違いに効率が高い。
24

社会実装への展開：量子シミュレータから量子アニーラへ
冷却原子を用いたコヒーレント量子アニーラ
LHZアーキテクチャ (Sci. Adv. 1, e1500838 (2015))

インスブルック大学

冷却原子アニーラ開発チーム（分子研 ＋ 浜松ホトニクス ＋ インスブルック大）

超微細構造：
スピン準位として使用

A. Glätzle et al., Nat. Commun. 8, 15813 (2017).
25

社会実装への展開：量子シミュレータから量子アニーラへ
冷却原子と超伝導量子ビット（D-Wave2000）の比較
冷却原子

D-Wave2000

論理ビット数分子研で開発中~60ビット

個別操作性

○

○

コヒーレンス時間 TC~1秒~ 10 ナノ秒

アニーリング時間 TA< ~ 10 ミリ秒~ 10 マイクロ秒

TC / TA> 100

0.001

長距離相互作用○△○△

物理ビットの均一度

コヒーレンス時間 / 計算時間
大規模化に大きく影響

D-Wave2000：少なくとも1000計算して１回正解
冷却原子：1回の計算で正解26

実用化に向けた課題と企業への期待ユーザーおよび開発コミュニティの開拓■ユーザーおよび開発コミュニティの形成①物性グループ（多体問題）： 国際会議；国内外学術セミナー；国内学会... [2019～]（例： 量子制御Gordon研究会議； FEMTO14； 日本物理学会年会...）②IT企業等（社会課題）： シンクタンク；企業向けセミナー... [2019～]（例： 経団連・産学連携セミナー； JST・CRDS； JST・新技術説明会...）③コヒーレント量子アニーラ国際ネットワーク： UK・EU量子フラッグシップとの共同開発 [2018～]① 共同利用超高速量子シミュレータ② クラウドサービス

コヒーレント量子アニーラ

産業化への橋渡し

基盤技術開発28

産業化への展開■産業化への橋渡し
産業構造を見据えて、適切なプレーヤーに橋渡しを行う

アプリ
API

サービス事業
SIer

ミドルアーキテクチャ

企業への期待・企業研究会形成 [2021～]- 開発状況の共有- ソフト階層の定義とI/Oの標準化- 量子アニーラの構造
モジュール化/刷合せ

サーバー事業・ベンチャーファンドへの紹介 [2021～]

部品事業

・基盤技術開発と差別化技術創出[浜松ホトニクスと緊密連携]

計算システム

コア部品

特許化、ノウハウのブラックボックス化

29本技術に関する知的財産権

特願2017-077478, 特開2018-180179,「 量子シミュレータおよび量子シミュレーション方法」,
酒井寛人, 大森賢治, 安藤太郎, 武井宣幸, 豊田晴義, 大竹良幸, 兵土知子, 瀧口優（浜松ホトニクス（株）, 自然科学研究機構）, 2017年.
Application number: US15/945,016, Publication number: US 2018/0292786 A1,“Quantum simulator and quantum simulation method,”H. SAKAI (Hamamatsu Photonics K.K.), K. OHMORI (NINS), T. ANDO
(Hamamatsu Photonics K.K.), N. TAKEI (NINS), H. TOYODA, Y. OHTAKE,
T. HYODO and Y. TAKIGUCHI (Hamamatsu Photonics K.K.),
Filing date: Apr. 4, 2018, Publication date: Oct. 11, 2018.

30

産学連携の経歴

文部科学省「光・量子飛躍フラッグシッププログラム Q-LEAP」 （2018 - 2028）
大規模・基礎基盤研究研究代表者：大森賢治
連携先：浜松ホトニクス（株）

日本学術振興会 科研費 特別推進研究 （2016 - 2021）
研究代表者：大森賢治
連携先：浜松ホトニクス（株）

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問い合わせ先

氏名：中川 智景（なかがわ ちかげ）
所属：自然科学研究機構
岡崎統合事務センター
国際研究協力課・産学連携係
特任専門員

Tel: 0564-55-7136
E-mail: r7136@orion.ac.jp32