Supercomputing Japan 2024

量子コンピュータ研究開発の最新動向と技術課題
2024年 ３月 13日
NEC 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 2024

目次
◆ 量子技術への期待◆ 世界の開発動向◆ NECの取組み◼超伝導技術を利用する量子ゲートおよび量子アニーリングマシン開発◼疑似量子アニーリングマシンを活用した事例紹介

量子技術への期待量子技術とは？
⚫ 量子技術は「量子の持つ特異性質や振る舞いの物理法則」を利用した技術の総称⚫ 「社会に劇的な変化をもたらすゲームチェンジャー」として注目されている

4

量子コンピューティング技術

量子センシング技術

量子通信・量子暗号技術

計算単位「量子ビット」が量子状態が環境変化に影響

光の最小単位「光子」が０でもあり１でもあるされやすいことを逆手にとり、それ以上分割できない等の「重ね合わせ」の状態等を活用し、時間や物理量(磁気・温度等)の性質を利用し、超高速・超並列処理を実現

微小な変化を計測

絶対安全な暗号化通信を実現© NEC Corporation 2024

量子技術の産業化をめぐる動向

出典：Q-STAR公開資料より引用

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一般社団法人量子技術による新産業創出協議会（Q-STAR）
2021年9月1日発足後、2022年5月9日一般社団法人となり、量子技術の応用を通じた中長期的な新産業を創出するために、産業及び企業の枠を超え、グローバルな視点での活動を推進中。NECは全部会へ参加し、企業の皆様とユースケースの創出に取り組んでいます。

※Q-STAR HPより引用
6© NEC Corporation 2024

部会活動

⚫ 量子波動・量子確率論応用部会⚫ 量子重ね合わせ応用部会 リーダー企業として参加⚫ 最適化・組合せ問題に関する部会 副リーダー企業として参加⚫ 量子暗号・量子通信部会⚫ クオンタムシティ推進部会

ワーキンググループ⚫ 政策提言ワーキンググループ⚫ 標準化連携/提案ワーキンググループ⚫ テストベッド連携ワーキンググループ リーダー企業として参加⚫ 研究開発連携ワーキンググループ⚫ 海外産業連携ワーキンググループ⚫ 長期ロードマップ策定ワーキンググループ⚫ リーガル＆コンプライアンスワーキンググループ⚫ 人材育成ワーキンググループ
注1：富士通と共同

注1

量子コンピューティングの社会実装に向けた取り組み
2020-2021
1999 世界初固体素子量子ビットの動作実証を成功〈Nature誌掲載※1〉

シミュレーテッドアニーリング・量子アニーリングを活用し応用研究を加速2030
量子アニーリングとゲート方式による課題解決モデルの提供を目指す

大規模な問題に対応するアニーリングマシンの提供を開始

2040～

2023 NEW
東北大学へインターネット経由で提供。東北大学とNECで将来のコンピュータシステムに関する共同研究を開始

ゲート方式実現を見据えた
MOONSHOTプログラムを推進※2※1：Y. Nakamura et al., Nature 398, 786 (1999) ※2：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。
7© NEC Corporation 2024

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

量子ゲート

アニーリングマシン

従来コンピュータのビットを量子ビットに置き換え計算する手法

イジングモデルを物理法則などを利用して解く
組合せ最適化問題に特化した手法

量子(冷却原子)
分子研

QuEra

量子(イオントラップ)
QuantinuumIonQ

量子(超伝導)NEC理研

IBM量子(超伝導)

GoogleD-WaveNEC

疑似量子(デジタル回路、NTTのみ光回路)

NEC

日立

富士通

東芝

NTT

※NEC調べ（紙面の都合上、必ずしも全ての研究機関を網羅しているわけではありません）
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量子ビットとその実現方法
従来コンピュータでは電圧等で0と1を表現。一方で量子コンピュータでは量子重ね合わせが利用できる「量子ビット」を用いて高速処理を実行

量子ビットはメモリ機能も兼ね備えている
１００量子ビットは従来メモリで２１００＝1030ビット相当
現在のスパコンのメモリは～２50
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ゲート方式の動作原理
量子ビットに対し、1ビットおよび2ビットゲート動作（数学的には行列演算）を組合わせて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）

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量子コンピュータが注目を浴びる一つの契機▍Googleによる量子超越性実験（ランダム量子回路サンプリング）
Googleによる量子超越性の実証（Nature誌）▍ 米Googleは2019年10月23日（現地時間）、量子コンピュータの計算能力が古典コンピュータを上回ることを示す「量子超越性」を実証したと発表。
▍ あるタスクでスーパーコンピュータでは約1万年かかるものを量子コンピュータにより3分20秒で解いた。

Arute, F. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505-511 (2019).
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世界の開発動向ゲート型量子コンピュータの開発動向◆ 各方式毎に特徴を示す

https://kpmg.com/jp/ja/home/insights/2023/11/fas-deeptech-02.html
を元にNECにて再編集

量子ビット方式

現時点の最大量子ビット

動作環境

利点（＋）/欠点（－）

プレーヤー

超伝導回路

1,121

極低温（－273℃）
超高真空＋量子ビットの動作が早い－希釈冷凍機を必要とする、高集積化で配線が複雑化

IBM/Google/Rigetti/Amazon/本源
量子（中国）/中国科技大/中国科学院/富士通/理研/阪大/NEC

イオントラップ

40

常温
超高真空

＋量子ビットの精度が高い－量子ビット数の大規模化が困難

IonQ/Quantinuum/AQT（オーストリア）/阪大/OIST（沖縄科学技術大学院大学）

光子

216

常温
常圧

＋常温・常圧で動作し、量子ビットの精度が高い－非線形な相互作用を含む制御が困難

Xanadu/PsiQuantum/東大/中国科技大学/NTT

シリコン量子12極低温（－273℃）
超高真空＋半導体技術が応用可能で大規模化が期待できる－研究段階でビット数が少ない

Intel/日立/理研/Qutech
Silicon quantum computing/HRL/
Photonic Inc.

冷却原子

1,180

常温
超高真空＋イオントラップよりも量子ビットを増やしやすい－量子ビットの動作が遅い

Atom
Computing/ColdQuanta/Pasqal（フランス）/QuEra/Inflection/ハーバード
大/IMS（分子科学研究所）/OIST

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ゲート型量子コンピュータの開発動向（ロードマップ）◆ 現状はエラーのあるNISQ。エラーの無いFTQC実現までまだギャップが大きい
https://www.jst.go.jp/moonshot/en/application/202002/pdf/pd_wg6_en.pdf
を元に編集

量子コンピュータ実用化のマイルストーン

1121Q@IBM

Error: 0.1 – 1 % / gate operation

433Q@IBM
127Q@IBMNISQで可能性がある用途：
最適化、固有値ソルバ（量子科学計算）、
機械学習．．．

６４Q@RIKEN, Fujitsu U-Osaka

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量子ゲートマシンができること

15© NEC Corporation 2024

暗号解読

創薬・新素材開発

金融シミュレーション

量子機械学習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 Eigensolver
QCL： Quantum Circuit Learning
QNN： Quantum Neural Network

誤り耐性型：複数の物理ビットを組合わせて作り出される誤りの無い量子ビット（=論理ビット）をベースとする量子コンピュータ
NISQ：Noisy Intermediate Scale Quantum （Computer）：誤りのある中規模量子コンピュータ
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を参照しNECにて再編集
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量子ゲート方式の現状と課題： 誤り率、アルゴリズムの限定性▍ 量子ゲート方式への期待は高いものの、「万能」ではない

1. ノイズの影響が大：ゲート型量子コンピュータの誤り率◼ ゲート型はノイズの影響が大•→ 量子ビットの誤り訂正が信頼性向上のカギ

たとえば、暗号解析に使われる因数分解のアルゴリズムで正しい結果を得るためにはエラーの無い１論理ビットあたり約1000量子ビットが必要。

2. ゲート型に有効なアルゴリズムと限定性◼ 既存コンピュータ性能を上回るかどうかはアルゴリズム次第で、万能ではない。
•大学やコミュニティで開拓が進むも、実効性のあるアルゴリズムは限定的（例：素因数分解・DB探索）•

誤り耐性ゲート型の実現前のNISQ*の研究はされているものの有効な用途を探索している状況*NISQ：Noisy Intermediate Scale Quantum:：誤り訂正を適用する前のノイズが混在する中規模の量子コンピューター
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NECの取組み
超伝導技術を利用する
量子ゲートマシンと量子アニーリングマシン

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

量子ゲート

アニーリングマシン

従来コンピュータのビットを量子ビットに置き換え計算する手法

イジングモデルを物理法則などを利用して解く
組合せ最適化問題に特化した手法

量子(冷却原子)
分子研

QuEra

量子(イオントラップ)QuantinuumIonQ

量子(超伝導)NEC

2040年の実用化を目指し研究開発中(MOONSHOTプログラム)

理研

IBM

量子(超伝導)Google商用サービスを展開。
NECと協業D-WaveNEC

NEDOの支援を受け、素子を開発中

疑似量子(デジタル回路、NTTのみ光回路)

NEC

日立

富士通

東芝

NTT

2021年9月よりベクトルコンピュータベースのオンプレ提供開始。11月からサービス提供を開始※NEC調べ（紙面の都合上、必ずしも全ての研究機関を網羅しているわけではありません）
19© NEC Corporation 2024

誤り耐性型汎用量子コンピュータ
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る誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現
https://www8.cao.go.jp/cstp/moonshot/sub6.html

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/

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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 𝐽𝐽23ℎ1ℎ212

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
21

色の濃度：組合せの割合（濃い＝割合が大きい）© NEC Corporation 2024

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

【量子アニーリング】

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
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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】

直近プレスリリース
新開発の8量子ビット量子アニーリングマシンを利用して東北大学とNECが将来のコンピュータシステムに関する共同研究を開始

https://jpn.nec.com/press/202306/20230628_01.html

23© NEC Corporation 2024

NECの取組み
疑似量子アニーリングマシンを活用した事例、提供サービス

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

量子ゲート

アニーリングマシン

従来コンピュータのビットを量子ビットに置き換え計算する手法

イジングモデルを物理法則などを利用して解く組合せ最適化問題に特化した手法

量子(冷却原子)
分子研

QuEra

量子(イオントラップ)
Quantinuum

IonQ

量子(超伝導)NEC

2040年の実用化を目指し研究開発中(MOONSHOTプログラム)

理研

IBM

量子(超伝導)Google商用サービスを展開。
NECと協業D-WaveNEC

NEDOの支援を受け、素子を開発中

疑似量子(デジタル回路、NTTのみ光回路)

NEC

日立

富士通

東芝

NTT

2021年9月よりベクトルコンピュータベースのオンプレ提供開始。11月からサービス提供を開始※NEC調べ（紙面の都合上、必ずしも全ての研究機関を網羅しているわけではありません）
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数理最適化ソルバとの使い分け(1/2)

組合せ最適化問題をイジングモデルに変換しコスト最小な組合せを求めるモデル化について
数理最適化ソルバ

量子アニーリング次数

基本1次

基本2次※1式の形

等式、不等式等式 (不等式は補助変数を用いるなどして対応)

決定変数

連続値、離散値

離散値 (連続値は離散化して対応)制約条件の扱 制約条件を利用して解を絞り込む
い（制約条件式が多いと計算時間がかかる）

制約条件は目的項の一つとして取扱う(罰金法)※2※1 次数については、一般に補助変数を用いた次数下げテクニックを用いて、高次の式に対応することが可能だが、量子アニーリングの方が高次の問題に比較的強い。また、数理最適化ソルバでも凸型であれば2次式を効率的に扱うことができるものがある。
※2量子アニーリングによっては、制約条件を最適化プロセスで用いることで、求解効率を上げているものもある。
26© NEC Corporation 2024

数理最適化ソルバとの使い分け(2/2)
解の性質、精度、品質、速度等について
数理最適化ソルバ
再現性

品質保証

量子アニーリング

毎回同じ解が得られる

解くたびに異なる解が得られる。※3
式に含まれる重みパラメータを調整することで、解の傾向を調整することも可能
解ける問題では厳密解が得られる 絶対的な解の品質保証はできない。
ただし、解の検算や比較は容易に実装可解が無い場合 「解無し」になる。この場合、モデルを見直し、制約条件を緩めて次善の解を求めることが多い。
最適化処理時 問題の規模による。制約条件の数が大きくなると計算時間が長くな間る。計算時間を指定して打ち切って途中の解を得ることは可能。

なるべく制約や目的を満たす次善の解を出力
問題の規模による。制約条件の数には影響されにくい。計算時間を指定することができるものもある。

※3 量子アニーリングの解の再現性について、どちらが好適かはアプリケーションによる。
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身近なところで始まっている取り組み

広告/公共/インフラ製造

通信基地局制御

生産計画

監視センサー制御

交通/物流

金融

素材開発/創薬

配送計画

カード不正検知

実験パラメータ探索

積荷配置
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保守部品の配送効率最適化の取り組み

NECフィールディング

配送時刻やエリア、手段など膨大な組み合わせから、最適な配送計画を自動で立案
背景・課題

量子アニーリング

最適な配送計画を自動で立案
配送効率を〇〇区
緊急対応最適化モデル

△△区

入力

□□区

定期保守

出力

約２０％向上

▽▽▽区
〇▽市

時間指定

…

…

…

…

配送時刻

配送エリア

部品の種類

配送手段

首都圏の保守作業は一日に数百件
効率的な配送計画を立案可能な人材が限定的

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アニーリングマシン
NEC Vector Annealingサービス

10753 通りの膨大な組合せを解決

CO2削減や配送計画立案の属人化解消

生産計画最適化の取り組み

NECプラットフォームズ

複雑な生産計画立案の自動化に成功
生産条件

量子アニーリング

生産順をナビ⚫ 部品

製造 段取り⚫ 設備設定
⚫ 納期

入力

変更前

A

変更後

AA→BA
→C

⚫ 1ラ イ ン で 1 日
多品種少量生産
組合せ多数
属人化

段取り 製造B→CB

CC→B© NEC Corporation 2024

B

段取りを最小化
アニーリングマシン
NEC Vector Annealingサービス

4×1030 通りの膨大な組合せを解決50%削減
設備稼働率 15%向上
立案工数90%削減
段取り工数

2023年3月より本格導入
30C

出力⚫ さまざまな制約条件

30 品種の生産計画

製造NECの提供サービス

Gurobi OptimizerのSIパートナーシップ契約を締結(2023/11/8)
意思決定のボトルネックに対して、プロフェッショナルによる問題分析や、問題に合った最適化ツール選定も適用サービスの魅力の一つです。
https://jpn.nec.com/press/202311/20231108_01.html

お客様の「現場のお困りごと」をヒアリングする段階からお客様の課題解決をトータルにサポートします。
オンプレミスクラウドサービス

NEC Vector Annealingサービス
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

NEC Vector Annealing 3.0

量子コンピューティング
適用サービス

量子コンピューティング
教育サービス

お客様の経営課題、業務課題に対して技術検証などトータルにサポート

DX化やAI活用を加速する
量子コンピューティング
人材育成を支援

経営・業務最適化
コンサルティングサービス

SCMアセスメント
課題の見える化・分析

構想策定支援基礎編
量子コンピューティングとは何か、どのような課題が解決できるのか、短時間で学べるプログラム

ありたい姿・対策の明確化

Gurobi
Optimizer

Leap Quantum
Cloud Service

Gurobi社※1のGurobi Optimizerを、NECによる日本語サポート含めて提供※2

D-Wave社※3のLeap Quantum Cloud
Serviceを、NECによる日本語サポート含めて提供※1 Gurobi社の正式名は、Gurobi Optimization, LLC です。
※2 Gurobi Optimizerは、製品単品での提供はございません。
量子コンピューティング適用サービスとセットでの提供となります。
※3 D-Wave社の正式名は、D-Wave Systems, Inc. です。
31© NEC Corporation 2024

業務課題抽出テーマ検討

最適化方式検討

実践編
量子アニーリングによる課題解決のプログラミングスキルを獲得できるサービス

仮説設定

定式化・机上検証
プロトタイプ開発

現場適用検証チューンアップ

実践編２
アニーリングの特長を活かす問題
および、数理最適化技術との使い分けが学べるプログラム