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量子計算産業の展望#

2021 年は、量子計算界にとって注目すべき年でした。量子ビットの数が大規模に増加する一方で、各種量子計算ハードウェア技術も進展しました。ますます多くの機関が上層ソフトウェアやアルゴリズムの開発に取り組み、ますます多くのアルゴリズムが小規模な実際の問題に対して実験的に検証されています。
量子計算機が問題を解決できる規模は、量子ビットの数に大きく依存します。2021 年以来、主要な研究チームはすべて突破を達成し、中性原子会社 ColdQuanta と AtomComputing は 100 以上の量子ビットを持つ量子計算機を発表し、ハーバード - MIT は 256 量子ビットの中性原子に基づく量子シミュレーターを開発しました。
超伝導に関しては、中国科学技術大学の 66 量子ビット「祖沖之号」が量子計算の優越性を実現し、計算の複雑さは Google の「悬铃木」よりも 6 桁向上しました。Rigetti はモジュール式の量子プロセッサアーキテクチャを提案し、数ヶ月以内に 80 量子ビットプロセッサを発表する予定です。IBM は 127 量子ビットのプロセッサ Eagle を発表しました。
イオン捕獲に関しては、IonQ が再構成可能なマルチコア量子アーキテクチャを提案し、64 量子ビットに拡張されました。光量子に関しては、従来の光量子計算の欠点はプログラミングが難しいことですが、ますます多くの研究が光量子計算もプログラミング可能であることを示しています。たとえば、Xanadu 社と国防科学技術大学はプログラム可能な光量子計算チップを展示しました。さらに、研究者は「九章」も将来的にプログラム可能になることを明らかにしました。

一、量子計算の発展概観
主流の量子計算会社の技術ロードマップによれば、2021-2022 年頃に 100 量子ビットを突破し、3 年以内に 1000 量子ビットを突破し、この 10 年の終わり（2030 年）までに 100 万量子ビットを実現する見込みです。
表 1 主流量子計算会社のロードマップ

量子計算機が有用かどうかのもう一つの次元は、量子ビットの質であり、主な指標にはコヒーレンス時間（量子状態がどれだけ保持できるかを決定）、量子ビット間の接続の程度、ゲートの忠実度などが含まれます。
コヒーレンス時間に関しては、2021 年に中国の清華大学の金奇奂研究グループがイオン捕獲システムで単一量子ビットのコヒーレンス時間の記録を更新しました（5500 秒）。
量子ビット間の接続の程度に関しては、イオン捕獲システムは全接続を実現できますが、量子ビットの数が少ないです。超伝導量子計算機、たとえば祖沖之号と悬铃木では、単一の量子ビットは周囲の 4 つの量子ビットとしか接続されていません。接続性を向上させることができれば、解決できる問題の規模は指数関数的に増加します。日本の RIKEN は、初めて 3 つの半導体（シリコンスピン）量子ビットのエンタングルメントを実現しました。
ゲートの忠実度に関しては、現在最先端の量子計算システムの 2 量子ビットゲート（エンタングルメントゲート）の忠実度は 99% 以上であり、現在の最高記録はオーストラリアのシリコン量子計算会社によって半導体技術を通じて実現された 99.99% ですが、彼らはわずか 2 つの量子ビットを開発しただけです。
現在、どの技術ルートもすべての指標でリードすることはできず、異なる技術ルートにはそれぞれの長所と短所があります。現在も新しい量子ビットを製造する研究チームが続々と登場しています。測定と制御の面でも、2021 年には突破がありました。2021 年には、チューリッヒの機器を代表とするいくつかの企業が 100 以上の量子ビットを測定制御できる測定制御システムを発表しました。最大の突破は、オーストラリアのニューサウスウェールズ大学が数百万のシリコンスピン量子ビットを制御できる技術を提案し、将来の百万量子ビットプロセッサの出現に向けて堅実な基盤を築きました。量子計算が急速に発展する一方で、古典計算の進歩も無視できません。2019 年に Google がスーパーコンピュータで 1 万年かかると主張した計算について、最近の研究は古典的なシミュレーションが Google の量子計算機と同等の速度に達したことを示しています。
2021 年のこの分野のテーマは古典的シミュレーションと量子計算の競争と定義でき、この競争は今後も続くでしょう。古典計算の大きな進歩は量子計算の発展を加速させることを余儀なくさせています。

二、量子計算産業チェーン

量子計算業界は現在、初期探索段階にあり、コア参加者は少なく、産業チェーンの上下流は比較的明確です。現在、海外のテクノロジー大手である IBM、Google、Amazon、Microsoft、Intel、Honeywell などが業界のリーダーに位置しています。IonQ、Rigetti、PsiQuantum などの量子計算の新興企業も数億ドルのベンチャーキャピタルを獲得し、同様に強力です。国内のテクノロジー大手である Alibaba、Baidu、Tencent、Huawei なども追随していますが、国内のリーディング量子計算会社は主に本源量子、国盾量子などの大学に依存する企業です。全体として、国内外の量子計算産業チェーンはすでに初期の形を整えています。

産業チェーンを見ると、量子計算デバイスの供給業者は主に国際企業が中心であり、特に希釈冷却機と低温同軸ケーブルが含まれます。しかし、他の分野では中国企業がすでに一席を占めており、特に測定制御システムでは、中微達信、国盾量子、本源量子が海外の企業と遜色ないか、さらにはより高いレベルに達しています。
また、減衰器、フィルターなどの低温コンポーネントにおいても、本源量子は一定の突破を達成しています。

チップ製造に関しては、現在の量子チップの製造プロセスは主に実験室で行われていますが、いくつかの先進的な量子計算チームはすでに工場で量子チップを製造しています。たとえば、Google の「悬铃木」量子チップは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校（UCSB）の工場で製造されています。

2022 年 1 月、本源量子が自主的に建設した 2 つの実験室 — 量子チップ製造封入実験室と量子計算組立テスト実験室が正式に稼働しました。これは、2021 年に本源 - 晶合量子チップ共同実験室に続く国内 2 つ目の工業化量子チップ実験室です。

産業チェーン内の量子計算会社は主にハードウェアとソフトウェアの研究開発に集中しています。現在のリーディングハードウェアチームは主にテクノロジー大手と有力な研究機関（たとえば中国科学技術大学）ですが、中国のテクノロジー大手は量子計算のレイアウトが遅れています。スタートアップ企業である本源量子、国盾量子、啓科量子、チューリング量子は業界の中核的な力です。ソフトウェアに関しては、国際的にはすでに 100 以上の量子ソフトウェア会社がありますが、中国の量子ソフトウェア会社は少数です。

三、量子計算の応用シーン#

量子計算機の大きな体積、極めて厳しい運用環境、数千万ドルの価格により、現在の量子計算の応用は主にクラウドプラットフォームを通じて量子ハードウェアを利用しています。量子計算と古典計算は、置き換え合う関係ではなく、計算力の要求が非常に高い特定のシーンでその高速並列計算の独特な利点を発揮します。
量子計算機が解決できるすべての問題については、まだ合意が得られていませんが、研究は主に以下のタイプの計算問題に集中しています：

• シミュレーション：自然界で発生するプロセスをシミュレーションすることは、現在の古典計算機では記述や理解が難しいか不可能です。これは、薬物発見、バッテリー設計、流体力学、デリバティブやオプションの価格設定において巨大な潜在能力を持っています。

• 最適化：量子アルゴリズムを使用して、一連の実行可能な選択肢の中から最適解を決定します。幹線物流やポートフォリオリスク管理に適用可能です。

• 機械学習：データ内のパターンを認識して機械学習アルゴリズムを訓練します。これは、人工知能の発展（たとえば自動運転車用）を加速させ、詐欺やマネーロンダリングを防ぐのに役立ちます。

• 暗号：従来の暗号を破ることや、より強力な暗号基準をサポートします。

業界としては、量子計算の潜在的な応用は主にサプライチェーン、金融、交通、物流、製薬、化学、自動車、航空、エネルギー、気象などの分野を含みます。
製薬、化学、新材料：量子計算は分子特性をシミュレーションでき、大規模な分子特性をコンピュータのデジタル形式で直接研究者に提供し、理論検証の時間を短縮し、製薬業界の薬品開発や新材料の開発を大幅に推進することが期待されています。

金融：量子計算は複雑な金融モデリングに非常に適しており、ポートフォリオの価格設定やデリバティブの価格設定などに潜在的な利点があります。非公式な統計によると、すでに 25 以上の国際的な大手銀行や金融機関が量子計算企業と共同研究を行っています。交通、物流、

サプライチェーン：これらの 3 つの分野はすべて量子計算の最適化に関与しており、量子計算を利用してサプライチェーン、交通（航空機、列車、自動車など）ルート、物流を最適化し、コストを削減します。

航空：量子計算は航空業界が直面するいくつかの最も厳しい課題を解決するのに役立ち、基礎材料科学研究、機械学習の最適化から複雑なシステムの最適化まで、飛行機の製造や飛行方法を変える可能性があります。
エネルギー：量子計算は、炭化水素井のさまざまな種類の粘土の化学成分と蓄積をシミュレーションするのに応用できる可能性があります。これは効率的な炭化水素生産の重要な要素です。風力発電所の流体力学を分析および管理し、自律ロボット施設の検査を最適化し、前例のない機会を創出し、世界が望むクリーンエネルギーを提供するのを助けます。

2021 年 2 月、英国の BP 社は IBM Quantum と提携し、エネルギー効率の向上と二酸化炭素排出量の削減を探求しました。

• 自動車：近年、各自動車メーカーは電動化戦略を加速しています。電動化戦略の推進過程で、量子計算は化学シミュレーションの利点を発揮し、多くの自動車メーカーが量子計算技術を利用して性能の良いバッテリーを開発することに取り組んでいます。

• 気象：量子計算は、複数の変数を含む大量のデータを効果的かつ迅速に処理でき、並列計算と絶え間ない最適化アルゴリズムにより、気象条件の追跡と予測を促進し、天気予報の精度を向上させるのに役立ちます。さらに、量子計算機は機械学習を通じて異なる気象パターンを識別し理解することもできます。

量子計算機 —— 同時に進行中の量子計算の物理プラットフォームは、量子ビットをコーディングする物理キャリアを持ち、異なる量子ビット間で制御可能な結合を形成し、ノイズ環境の影響に対して一定の抵抗力を持つ必要があります。

2021 年、超伝導システムは急速に発展し、量子ビットの規模が次々と刷新されました。一方、イオン捕獲、光量子、シリコンスピン、中性原子などの技術ルートも同様に強力に発展しており、他の技術ルートであるダイヤモンド NV センターも一定の進展を遂げています。

• トポロジカルなアプローチは、「マヨラナ粒子の発見」（トポロジカル量子計算の実現の基礎）に関する論文が撤回されたために大きな打撃を受けましたが、研究者たちはこのエラー訂正を必要としないアプローチが実現可能であると信じています。要するに、量子計算の物理実現の進展はまだ収束していません。ゲートベースの量子計算機に加えて、近年登場したコヒーレントイジングマシン（CIM）アプローチも良好な成果を示しており、2021 年には日本の NTT が CIM アプローチを通じて 10 万量子ビットを実現しました。ゲートベースの量子計算機と直接比較することはできませんが、これは小さなマイルストーンでもあります。注目すべきは、2021 年に量子アニーリングの先駆者 D-Wave がゲートベースの量子計算機を開発することを発表したことです。これは、量子アニーリングマシンの将来が限られている可能性を示しています。

注：評価は 5 点満点で、1 が最悪、5 が最良、○は 1 点、●は 5 点を表します。緑の矢印は商業化の進展が他のルートよりも良好であることを示し、黄色と赤はそれぞれ次第に劣ることを示します。

一、超伝導 —— 最も注目される#

• 超伝導量子計算は、現在国際的に比較的迅速に発展している固体量子計算の実現方法の一つです。

• 超伝導効果は、マクロな量子効果として、量子状態のコヒーレントな操作を無損失の環境で提供します。超伝導量子回路のエネルギーレベルは外部の電磁場によって干渉され、回路はカスタマイズされた開発を実現しやすくなります。

• 集積回路技術がすでに成熟しているため、超伝導量子回路の拡張性の利点はさらに明らかになるでしょう。現在、

超伝導量子回路に基づく量子計算技術は、脱コヒーレンス時間、量子状態の操作と読み出し、量子ビット間の制御可能な結合、中規模から大規模への拡張などの重要な技術において多くの突破を達成し、汎用量子計算機と量子シミュレーターを構築する最も有望な候補技術ルートの一つとなっています。

• 2021 年、中国は超伝導量子研究において重要な進展を遂げました。
• 2021 年 1 月、南方科技大学は超伝導量子回路システムに基づいて、調整可能な結合器を利用して高忠実度、高拡張性の 2 ビット量子ゲートの提案を実現しました。実験では、迅速（30ns）で高忠実度（0.995）の 2 ビット量子ゲート操作が実現されました。以前の 2 ビット量子ゲートと比較して、この提案はロバスト性が高く、必要な制御線が少なく、干渉の影響が小さく、システムのキャリブレーションプロセスが簡素化されました。2 月、本源量子は国産の工業用超伝導量子計算機「本源悟源 2 号」をオンラインにしました。
• 5 月、中国科学技術大学の潘建偉、朱晓波、彭承志などの研究チームは、62 ビットのプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖沖之号」を成功裏に開発し、これを基にプログラム可能な 2 次元量子ウォークを実現しました；
• 6 月、潘建偉チームは再びプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖沖之号」をアップグレードし、66 ビットのプログラム可能な超伝導量子計算プロトタイプ「祖沖之 2 号」を構築し、56 量子ビットの 20 層循環「量子ランダム回路サンプリング」タスクの迅速な解決を実現しました。計算の複雑さは、Google の「悬铃木」量子計算機よりも 3 桁高いです。
• 9 月、中国科学技術大学の郭光灿院士チームの郭国平教授の研究グループは、本源量子と協力し、本源「夸父」6 ビット超伝導量子チップ上で干渉が量子ビット状態の読み出しに与える影響を研究し、浅層ニューラルネットワークを使用して量子ビットの状態情報を認識し読み取る革新的な提案を行い、干渉の影響を抑制し、多ビットの読み出し忠実度をさらに向上させました。
• 8 月、清華大学の交差情報研究院の段路明研究グループは、調整可能な結合の多量子ビットシステムを利用して、環境ビットが交差共鳴論理ゲート（Cross-resonance, CR）に与える影響を初めて実験的に研究し、大規模な超伝導量子システムにおいて、環境ビットの存在と不在の 2 つのケースで双量子ビットゲート操作の忠実度を効果的に向上させる解決策を提案しました。
• 10 月、潘建偉チームは 60 量子ビットの 24 層循環量子ランダム回路サンプリングを実現し、計算の複雑さは「悬铃木」よりも 6 桁高いです。
• 10 月、潘建偉チームは変分量子固有値ソルバー（VQE）を使用してジョセフソン接合アレイ量子回路をシミュレーションし、新しい高性能量子ビット plasonium を発見しました。
• 10 月、テンセント量子実験室は、迅速、高忠実度、拡張性のある超伝導量子ビット初期化スキームを実現し、業界の既存の作業と比較して、この初期化方法は迅速、高忠実度、周囲のビットへの影響が少なく、拡張性が高いという利点を持っています。
• 9 月 12 日、浙江大学は 2 つの超伝導量子チップを発表しました。「莫干 1 号」は特定の問題に対する量子シミュレーションと量子状態の正確な制御を実現するための専用量子チップであり、全連結アーキテクチャを採用しています。もう一つのチップ「天目 1 号」は汎用量子計算を目指し、比較的拡張しやすい近隣接続アーキテクチャを採用し、36 個のより長いビット寿命を持つ超伝導量子ビット（脱コヒーレンス時間約 50 マイクロ秒）を統合し、高忠実度の汎用量子ゲート（制御位相ゲート、精度 98% 以上）を実現しました。
• 国際的には、2021 年 4 月、アメリカ国立標準技術研究所（NIST）の物理学者は、金属ワイヤの代わりに光ファイバーを使用して超伝導量子ビットを測定および制御し、量子計算機の拡張性を実現しました。112021 年 9 月、日本の情報通信研究機関（NICT）は、超伝導転移温度が 16K（-257℃）の全窒化物超伝導量子ビットを開発しました。これは、他の超伝導量子ビット構造が必要とする温度よりも 15 度高いです。
• 12、2021 年 11 月、コロンビア大学工学部の James Hone 教授の実験室は、2D 材料で作られた超伝導量子ビットコンデンサーを展示しました。そのサイズは従来の方法で製造されたチップの 1000 倍小さいです。
• 13 年 11 月、IBM は現在の最高量子ビット数の超伝導量子計算チップ ——127 量子ビットプロセッサ Eagle を発表しました。
• 142021 年 12 月、Rigetti Computing は次世代 80 量子ビット Aspen-M 量子プロセッサを発表し、独自のマルチチップ特許技術を利用して 2 つの 40 量子ビットチップで構成されます。単一チップ 40 量子ビットプロセッサに基づく新しい Aspen システムも同時に発表されました。
• 15 年 12 月、フィンランド国家技術研究センター（VTT）と IQM 社は、同国初の 5 ビット超伝導量子計算機 Micronova を発表しました。16 年の進展を遂げる一方で、2021 年のいくつかの研究は、超伝導量子計算機にいくつかの以前には発見されていなかった障害が存在することを示しています。
• 2021 年 6 月、ウィスコンシン大学マディソン校は、宇宙線が超伝導量子ビットのエラーの原因の一つである可能性があることを提案しました。
• 2021 年 12 月、Google はその量子プロセッサ上で宇宙線が実際に超伝導量子ビットのエラーを引き起こすことを証明しました。182021 年 8 月、フェルミ国立加速器実験室はナノ水素化物が超伝導量子ビットのコヒーレンス時間を短縮することを発見しました。19 年の研究者は、これらの障害を克服するために努力していると述べています。

二、イオン捕獲 —— 量子体積#

イオン捕獲、またはイオン囚禁とも呼ばれ、その技術原理は電荷と電磁場間の相互作用力を利用して帯電粒子の運動を制御し、制限されたイオンの基底状態と励起状態からなる 2 つのエネルギーレベルを量子ビットとして利用し、マイクロ波レーザーを照射して量子状態を操作し、連続的なポンピング光と状態関連の蛍光を通じて量子ビットの初期化と検出を実現します。

イオン捕獲量子計算機は、量子ビットの品質が高く、コヒーレンス時間が長く、量子ビットの準備と読み出しの効率が高いという 3 つの特徴を持っています。現在、イオン捕獲量子計算機は量子ビットの接続性とコヒーレンス時間において他の技術ルートをリードしています。しかし、拡張性が悪いという問題はイオン捕獲システムが早急に解決すべき主要な問題です。

近年、世界中の研究チームはイオン捕獲量子計算機の作成に取り組んでおり、捕獲されたイオンがエンタングルメントの量子ビットとして機能し、高度な計算を実行することが証明されています。この種の計算機は、実際の応用において最も有望な量子計算システムの一つとされています。

2021 年、イオン捕獲量子計算機は新たなマイルストーンを達成しました。2021 年 1 月、清華大学交差情報院の金奇奂研究グループは、イオン捕獲システムで初めて単一量子ビットのコヒーレンス時間を 1 時間以上、すなわち 5500 秒に引き上げました。

• 202021 年 6 月、インスブルック大学実験物理学科の研究者たちは、コンパクトなイオン捕獲量子計算機を成功裏にデモンストレーションしました。

• 212021 年 8 月、イオン捕獲量子計算会社 IonQ は初めて再構成可能なマルチコア量子アーキテクチャ（RMQA）を発表しました。IonQ によれば、このアーキテクチャは各チップの量子ビット数を数百に拡張でき、量子ビット数の増加に伴って量子ビットの安定性や性能が低下することはありません。

• 2021 年 9 月、中山大学物理天文学学院の羅楽教授の研究チームは、人工ニューラルネットワーク技術と RF マイクロ波 - 自発放射光子の関連技術を利用して、イオン捕獲中の量子ビットの微運動抑制の自動化処理を実現しました。これは国際的に初めての試みです。232021 年 9 月、アメリカ国立標準技術研究所（NIST）が主導する研究チームは、RF 磁場勾配とマイクロ波磁場を組み合わせた方案を使用して、レーザーなしの二量子ビットゲートの忠実度の世界記録を樹立しました。これは、制御信号の出力や複雑さを増加させることなく、大規模なイオン捕獲量子プロセッサ内の複数のイオンに対して同時にエンタングルメント操作を実行する可能性があります。

• 2021 年 10 月、清華大学交差情報研究院の段路明研究グループは、イオン捕獲量子情報処理分野で重要な進展を遂げました。最適に選択された少数のイオンをレーザー冷却することによって、長いイオン鎖の効率的な協調冷却を初めて実現し、グローバルレーザー冷却の限界に近い温度を得ました。これにより、多量子ビット量子計算の技術基盤が準備されました。252021 年 10 月、メリーランド大学の共同量子研究所（JQI）の研究者クリストファー・モンローとそのチームは、実験で複数のエラー率が高い物理量子ビットを使用して、エラー率が低い論理量子ビットを初めて実現しました。彼らは Bacon-Shor-13 符号化の 9 つのデータ量子ビットと 4 つの補助量子ビットを使用して、1 つの論理量子ビットを実現しました。262021 年 12 月、ハニウェルチーム（現在は Quantinuum）は、初めてリアルタイムで量子エラーを検出し修正しました。研究者たちは [[7, 1, 3]] カラーコードを使用しました。ハニウェルのイオン捕獲量子計算機内の 10 の物理量子ビットを使用して、単一の論理量子ビットを符号化、制御、繰り返しエラー訂正しました。272021 年の最後の日、Quantinuum は再び驚きをもたらし、彼らのハニウェル H1-2 量子計算システムが 2048 量子体積を測定し、すべての技術ルートの中で最高の数値を記録しました。

三、光量子 —— 商業化元年の開始#

光子に基づく量子計算にはいくつかの独特な特性があります。まず、光子の量子状態は真空や冷却システムなしで維持されることができ、外部環境との相互作用が極めて弱いためです。光量子計算機は室温の大気環境で動作できます。次に、光子は量子通信の最適な情報キャリアであり、光速で伝播し、高いデータ伝送容量を提供します。したがって、光量子計算機は量子通信と完全に互換性があります。光子の大帯域幅は、光量子計算機において高速（高クロック周波数）操作を提供します。光子のこれらの特性は、同時に量子計算に内在する困難をもたらします。光子同士は相互作用しないため、光子間の相互作用を必要とする二量子ビットエンタングルメントゲートを実現することが難しいです。さらに、光子は光速で伝播し、同じ位置に留まらないため、多くの光学コンポーネントを光子の光路に沿って配置する必要があり、効率が低下します。現在、光量子計算機の研究はこれらの困難を克服することに主に集中しています。

2021 年は光量子関連の研究成果が豊富であり、光量子計算機の商業化元年と呼ばれています。

• 2021 年 1 月、エストニアのタルトゥ大学物理研究所の科学者たちは、新しい光学量子計算機を開発する方法を見つけました。この研究は、特定の特徴を持ち、量子ビットとして機能する希土類イオンが、従来の解決策と比較して超高速の計算速度とより良い信頼性をもたらすことを示しています。

• 2021 年 2 月、国防科学技術大学と他のチームが共同で新しいプログラム可能な光量子計算チップを開発しました。このチップは、量子ウォークの進化時間、ハミルトニアン、粒子の全同一性、粒子交換特性などの要素を完全にプログラム制御することを初めて実現し、量子ウォークモデルに基づくさまざまな量子アルゴリズムアプリケーションの実現をサポートします。

• 2021 年 3 月、カナダの光量子計算会社 Xanadu は X8 光量子プロセッサを発表しました。これはプログラム可能で拡張可能であり、さまざまなアルゴリズムを実行できる光量子チップです。これは、既存の光ファイバー通信インフラに統合でき、拡張が容易で、運用コストを効果的に削減できます。

• 2021 年 5 月、北京大学物理学院、人工微構造と中間物理国家重点実験室、ナノ光電子前沿科学センターの極端な光学革新研究チームと共同で、ウィーラー遅延選択測定装置の多経路マッハ・ツェンダー干渉計を開発しました。このチップは 350 以上の光子素子と近 100 の調整可能な位相シフターを単一チップに統合したもので、現在のところ最大の光量子チップの一つです。

• 2021 年 7 月、デンマークの技術大学の研究者たちは光量子計算機の完全なプラットフォームを実現しました。このプラットフォームは汎用性と拡張性を持ち、すべての操作が室温で行われ、標準の光ファイバーネットワークと直接互換性があります。

• 2021 年 7 月、上海交通大学の金賢敏チームは、光子集積チップに基づく物理システムの拡張可能な専用光量子計算スキームを提案し、実験で「迅速到達」問題の量子加速アルゴリズムを初めて実現しました。332021 年 8 月、バージニア大学の電気およびコンピュータ工学科の助教授 Xu Yi が率いる研究チームは、光学微共振器に基づく周波数コームを用いて、コインサイズのチップ上で 40 量子モード（qumode）を成功裏に実現しました。これは現在、集積光学プラットフォームで実現された最大のモード数です。342021 年 10 月、中国科学技術大学の潘建偉、陸朝陽らは、量子計算プロトタイプ「九章」に基づいて「九章二号」を成功裏に開発しました。新しいプロトタイプは、以前の 76 個の光子から 113 個の光子に増加し、特定の問題を処理する速度はスーパーコンピュータよりも億倍速いです。

• 2021 年 12 月、光量子計算会社 ORCA Computing は、「変分ボースソルバー」と呼ばれる光量子計算プラットフォームを実現し、二次無制約二進最適化（QUBO）問題を解決するために使用されます。

四、中性原子 —— アメリカがリード#

中性原子の量子計算は、一般的に超高真空の腔内で遠失調光偶極トラップアレイまたは光格子を利用して、磁光トラップまたはボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）から超冷却された原子を捕獲し、単一原子アレイを形成します。その後、原子基底状態の超精細エネルギーレベルの 2 つのマグネトンエネルギーレベルを量子ビットの 0 状態と 1 状態としてエンコードします。高数値孔径レンズは、原子ビットの操作に必要なラマン光、リードバーグ励起光、状態準備光などを単一の原子に焦点を合わせ、アレイ内の量子ビットを操作します。同時に、レンズは原子の蛍光を収集し、電子増倍型カメラ（EMCCD）に送信して量子状態の検出を実現します。

中性原子量子計算機は、量子ビットの品質が高く、コヒーレンス時間が長く、量子ビットの準備と読み出しの効率が高いという 3 つの特徴を持っています。現在、中性原子量子計算機は量子ビットの接続性とコヒーレンス時間において他の技術ルートをリードしています。しかし、拡張性が悪いという問題は中性原子システムが早急に解決すべき主要な問題です。

近年、世界中の研究チームは中性原子量子計算機の作成に取り組んでおり、捕獲された原子がエンタングルメントの量子ビットとして機能し、高度な計算を実行することが証明されています。この種の計算機は、実際の応用において最も有望な量子計算システムの一つとされています。

2021 年、中性原子量子計算機は新たなマイルストーンを達成しました。2021 年 7 月、量子スタートアップ ColdQuanta は冷原子技術に基づいて 100 以上の量子ビットプロセッサ Hilbert を発表しました。この冷原子技術では、11×11 の格子に配置されたセシウム原子が使用されました。

• 2021 年 7 月、別の量子計算スタートアップ Atom Computing は、第一世代の量子計算システム Phoenix を発表しました。このシステムはストロンチウム原子からなる核スピン量子ビットを使用し、真空室内で光ピンセットを用いて 100 個の原子を捕獲（各原子が 1 量子ビットを表す）し、強い安定性を持っています。382021 年 7 月、ハーバード - マサチューセッツ工科大学の超冷原子センターが率いる研究チームは、中性原子に基づくプログラム可能な量子シミュレーターを開発し、256 量子ビットを操作できることを実現しました。研究者たちはこの機械を使用して、以前には実験的に実現されていなかったいくつかの奇異な物質量子状態を観察し、精密な量子相転移研究を行いました。

五、半導体量子ドット / シリコンスピン —— 期待される量子ドット#

（quantum dot）は、励起子を 3 つの空間方向で束縛した半導体ナノ構造です。これは重要な低次元半導体材料であり、その 3 つの次元のサイズは、対応する半導体材料の励起子ボーア半径の 2 倍を超えません。シリコン量子ドットは、量子ドットの例の一部です。純粋なシリコンに電子を加えることで、科学者たちはシリコン量子ドットという人工原子を作り、マイクロ波で電子の量子状態を制御します。

シリコンの利点は、従来の微電子工業が数十年にわたって蓄積した大規模集積回路製造の経験を利用できることです。シリコン量子ビットは超伝導量子ビットよりも安定しており、コヒーレンス時間も長いですが、量子エンタングルメントの数は少なく、低温を維持する必要があります。半導体量子計算は、現在国際的に人気のある主流の研究方向です。

• 2021 年 4 月、本源量子は中国科学技術大学の郭光灿院士チームと共同で、スピン量子ビットの制御の各方向性を発見しました。外部の磁場とシリコン基板の結晶方向の相対的な方向を変更することで、スピン量子ビットの制御速度、脱コヒーレンス速度、およびアドレス可能性を同時に最適化できます。

• 2021 年 5 月、本源量子は郭光灿院士チームと共同で、マイクロ波超伝導共振器を利用して半導体二量子ドットの励起エネルギースペクトルの高感度測定を実現し、将来的に半導体量子ビットの高忠実度読み出しを実現するための効果的な方法を提供しました。

• 2021 年 5 月、アメリカ / アイルランドのシリコンベースの量子計算会社 Equal1 Laboratories は、商用シリコンプロセスを通じて量子ビットをすべて制御および読み出し可能な電子デバイスを同じ集積回路に統合しました。2021 年 6 月、日本の理化学研究所（RIKEN）の研究チームは、エンタングルメント可能なシリコンベースのスピン量子ビットの数を 2 から 3 に増やし、生成された三量子ビット状態の忠実度は 88% に達し、エラー訂正に使用できるエンタングルメント状態にありました。

2021 年 10 月、コペンハーゲン大学の Assoc 研究チームは、単一量子チップ上で複数のスピン量子ビットを同時に操作することを実現しました。今年 1 月、中国科学技術大学の郭光灿院士チームと本源量子、アメリカ、オーストラリアの研究者たちは共同で、シリコンベースのスピン量子ビットの超高速制御を実現しました。これは現在までに国際的に報告された最高値です。

六、トポロジカル量子計算 —— 依然として不確実性があるトポロジー#

量子計算は、トポロジカル材料中の非アーベル統計を持つ準粒子を利用して量子ビットを構築し、量子計算を実行する研究プランです。材料のトポロジーの安定性により、トポロジカル量子計算は多体システム内のトポロジカル量子状態を利用して量子情報を保存および操作し、内在的な耐障害能力を持ち、量子ビットの脱コヒーレンスと耐障害量子計算の重要な問題を解決することが期待されています。トポロジカル量子計算は量子計算の最前線の研究分野です。マイクロソフトがマヨラナフェルミオンの発見に関する論文を自主的に撤回したにもかかわらず、2021 年にはトポロジカル量子計算において一定の成果がありました。

2021 年の初め、ニューヨーク州立大学の Li Qiang 教授は、トポロジカル量子計算を実現するための鍵を発見しました。彼らは新しい光誘導スイッチを発見し、ワイル半金属の格子を歪め、ほぼ無散逸の巨大な電子流を開くことができることを示しました。これらの特性の発見は、トポロジカル量子計算などの応用を実現するための一歩を前進させました。2021 年、中国はこのプランの探求と実施において一連の画期的な進展を遂げました。材料の成長と製造に関して、中国科学院半導体研究所の趙建華研究グループは、分子束エピタキシス技術を利用して高品質の純相 InAs、InSb、InAsSb 半導体ナノワイヤを製造し、これを基に超伝導体をナノワイヤ上で低温の原位エピタキシー成長を実現し、異質接合界面を原子レベルで平坦化しました。清華大学の何珂 - 薛其坤研究グループは、選択的エピタキシー成長法を利用して新しい半導体ナノワイヤシステムを製造し、トポロジカル量子デバイスへの不純物の影響と基板格子の不整合を効果的に低減し、さらなるマヨラナ量子デバイスの実現に向けた基盤を築きました。トポロジカル量子デバイスの製造と輸送測定に関して、中国科学院物理研究所の沈潔とデルフト工科大学（TU Delft）の Kouwenhoven らは、量子デバイス「マヨラナ島」で完全な電子奇偶性（パリティ）相図を描き、コロン振動の振幅とピークの関連に関する明確な情報を提供し、将来のトポロジカル量子ビットの構築に向けた調整基盤を提供しました。清華大学の劉東研究グループは、実験的な探査手段を理論的に提案し、散逸電極によって導入された電子と環境ボソンの相互作用の再正規化効果を利用し、マヨラナ輸送信号と他の平凡な輸送信号が完全に異なるスケール行動と温度電圧依存関係を生成することにより、ナノワイヤシステム内の「マヨラナ状態 - アンドレフ状態」の競争と論争を解決することを目指しています。

表 8 2021 年トポロジカル量子計算の重要な進展

七、ダイヤモンド NV センター —— 拡張の難しさ#

ダイヤモンド NV センターは、室温で観測可能なゼロフォノンライン、発光の安定性、コヒーレンス時間の長さなど、優れた光学特性を持ち、特に非常に特殊な精細エネルギー構造を持ち、高精度の物理量測定と量子制御を実現できます。特に、超低濃度の NV センター、特に単一の NV センターは光子エンタングルメント、量子制御などの分野で広く注目されています。さらに、NV センターは精密測定分野、例えば温度測定、磁場測定、超高解像度イメージング、高性能ジャイロスコープなどの分野でも応用されています。しかし、量子計算機に応用するには拡張の難しさがあります。
2021 年 4 月、量子計算スタートアップ Quantum Brilliance は、ダイヤモンド NV センターに基づくコンパクトな量子計算機を開発し、5 つの量子ビットを含み、5 年以内に 50 量子ビットの量子計算機を発売する計画です。

八、量子アニーラー —— 進展はあまりない現在#

量子計算機は量子論理ゲート計算機と量子アニーラーに分けられ、前述の主要な技術ルートはすべて量子論理ゲート計算機の構築に提案されたものであり、量子論理ゲートに基づく量子計算機は一般的な量子計算機と呼ばれます。本報告書の前 7 つのシステムはすべてゲートベースの量子計算スキームです。量子アニーラー（Quantum Annealer）は量子論理ゲートを必要とせず、イジングモデル（Ising model）を通じて最適解を探す専用の量子計算機であり、最適化問題を処理する上で独自の利点があります。全体的に見て、2021 年の量子アニーリング技術の進展はあまりありません。注目すべきは、2021 年に量子アニーリングの先駆者 D-Wave がゲートベースの量子計算機を開発することを発表したことです。これは、量子アニーラーの将来が限られている可能性を示しています。

九、コヒーレントイジングマシン —— 引き続き観察#

コヒーレントイジングマシン（CIM）と量子アニーラーの原理は似ており、イジングモデルに基づいています。これは、人工磁石で構成されたプログラム可能なネットワークのようなもので、実際の磁気システムのように、各磁石の状態は「上向き」または「下向き」のみであり、低エネルギー状態での動作を好みます。動作原理は、もし磁石ネットワーク間の接続が再プログラム可能であれば、実際の問題を表すことができ、最適化された低エネルギー方向に直面する必要がある場合、最終状態から解を推測することができます。

量子アニーラーでは、これらの人工磁石は超伝導回路で置き換えられ、量子ビットとして機能します。CIM は超伝導回路を特別なレーザーシステムである重複光学パラメータ振動子（DOPO）に置き換えます。CIM は結合 DOPO パルスを利用して計算を行い、パルスの最終位相を測定することで最適な解決策を探します。CIM が使用する光パルスは往復することができ、任意の 2 つのパルスが直接相互作用することができます。同時に、基盤デバイスは光学デバイスの設計であり、超伝導デバイスと比較して低温環境を必要とせず、安定性が高く、制御性が良好です。

現在、NTT、NII、NASA、スタンフォード、カリフォルニア工科大学、メリーランド大学、東京大学などの研究機関や大学、また中国のボソン量子技術会社が CIM の研究開発に取り組んでいます。

• 2021 年 9 月、日本の NTT 基礎研究所は 100,512 スピン量子ビットの CIM 計算実験を実現し、10 万の大台を突破しました。これはすべての量子計算技術スキームの中で遥かにリードしています。CIM のスピン量子ビットは、汎用量子計算の量子ビット数と直接比較することはできませんが、この突破はマイルストーン的な出来事と見なすことができます。国内の CIM 研究はまだ始まったばかりで、ボソン量子は 2020 年末に設立され、同社によれば、光量子実験室の構築が完了し、1000 以上の量子ビットレベルの CIM 量子 AI コプロセッサのエンジニアリングプロトタイプとそれに対応する加速アルゴリズムの開発を進めています。

コアコンポーネント —— 発見と突破報告#

超伝導または半導体量子計算機に不可欠な低温装置（主に mK レベルの希釈冷却機）や、超伝導および半導体量子計算機に非常に重要な量子測定および制御システム（略して「測定制御システム」）を研究することが重要です。
同軸ケーブルは、低温の量子チップと室温の測定制御システム間を接続する橋渡しです。
さらに、超伝導量子計算機は環境ノイズの影響を防ぐために追加の低温デバイスが必要です。
超高真空装置はイオン捕獲と中性原子システムに必須です。レーザーの応用は比較的広範であり、光子、イオン捕獲、中性原子などのシステムはすべて量子ビットを冷却または操作するためにレーザーを必要とします。
他のコアコンポーネントには単一光子源と単一光子検出器が含まれます。ここで、単一光子源は主に光量子計算機に使用され、単一光子検出器は光子とイオン捕獲システムの両方で使用されます。

希釈冷却技術は 1950 年代に初めて提案され、1960 年代に具体的に実現されました。現在一般的な無液体ヘリウム希釈冷却機は、希釈冷却技術と無液体ヘリウム冷却ヘッド技術の組み合わせです。原理的には、希釈冷却機はヘリウム元素の 2 つの同位体、ヘリウム - 3 とヘリウム - 4 の混合液体が約 0.8K で発生する相分離現象を利用します。相分離後、ヘリウム - 3 とヘリウム - 4 の混合液は層状になり、上層は密度が低いヘリウム - 3 が主成分のヘリウム - 3 濃相、下層は密度が高いヘリウム - 3 液体に溶けた一部のヘリウム - 3 からなるヘリウム - 3 希釈相です。ガス循環回路を設計することで、低温時にヘリウム - 3 原子がヘリウム - 3 濃相から相分離界面を越えてヘリウム - 3 希釈相に到達する過程は吸熱降温過程であり、この相分離界面で mK レベルの最低温度を形成することができます。ヘリウム - 3 の濃相と希釈相の物理プロセスを利用しているため、この冷却機は希釈冷却機と呼ばれています。

図 2 希釈冷却機の内部構造

技術的には、希釈冷却機内部は真空腔内に置かれる必要があり、低温部品と外界の絶熱を実現します。冷却に関しては、mK レベルの最低温度を実現するために多段階の冷却を行う必要があります。まず、冷却機の無液体ヘリウム冷却ヘッドは 4K の基礎低温環境を提供し、この基礎の上でヘリウム - 3 ヘリウム - 4 混合液が 4K 冷却プレートを通過する際にヘリウム - 4 を初歩的に液化します。その後、蒸発冷却およびジョール - トムソン効果を利用してヘリウム - 3 ヘリウム - 4 を完全に液化し、約 1K の低温に達します。この基礎の上で、ヘリウム - 3 の蒸発冷却を利用して混合液をさらに冷却し、相分離を実現します。最終的に、希釈冷却原理を利用して mK レベルの極低温を実現します。

国内外の量子計算の爆発的な発展により、Bluefors を代表とする希釈冷却機会社は高科技分野の「新興企業」となりました。現在、国際的に主流の希釈冷却機供給業者にはフィンランドの Bluefors 社、英国のオックスフォード計器社、アメリカの JanisULT 社、オランダの Leiden Cryogenics 社などがあります。
Bluefors 社は量子計算分野で早期にスタートを切ったため、市場シェアは長年第一位を占めています。次いでオックスフォード計器社です。たとえば、北京量子情報科学研究院の入札公告によると、同機関は 2021 年に Bluefors とオックスフォード計器の希釈冷却機をそれぞれ 8 台と 5 台購入しました。現在、Bluefors の希釈冷却機には SD、LD、XLD、LH の 4 つのシリーズがあります。その中で LD シリーズは Bluefors で最も売れている希釈冷却機であり、LD250 と LD400 が含まれます。

2021 年 11 月、Bluefors は新しい低温プラットフォーム KIDE を発表しました。このプラットフォームは、より大きなチップに対してより強力な冷却能力を提供します。3 つの六角形ユニットを接続して、三方向量子計算クラスターを作成するために使用できます。この低温プラットフォームはまだ開発中ですが、IBM は近日中に発表される IBM Quantum System 2 シリーズの機械でこのプラットフォームを使用することを発表しました。

2021 年には、IBM との深い協力を継続するだけでなく、9 月には Bluefors がフィンランドの量子計算産業連盟 BusinessQ に参加し、企業が量子技術とソリューションを採用し開発するのを支援しました。Bluefors と比較して、オックスフォード計器社は量子計算市場に遅れて参入しましたが、近年、オックスフォード計器の希釈冷却機は量子計算の研究開発チームにますます好まれるようになり、特に 2020 年に最新世代の無液体ヘリウム希釈冷却機 Proteox を発表して以来、注目を集めています。
現在までに、オックスフォード計器はさまざまなモデルと異なるアプリケーション指向の希釈冷却機を発表しています。これには、モジュール式希釈冷却機 ProteoxMX（＜10mK）、多ビット量子計算専用の無液体ヘリウム希釈冷却機 ProteoxLX（＜7mK）、および 5mK の基礎温度を持つ極端な低温冷却機 Proteox5mK が含まれます。

オックスフォード計器の Proteox 希釈冷却機は、底部の迅速なサンプリング機能をさらに強化しました。これは、少数のビット数のサンプルを迅速にスクリーニングし、プロセスパラメータを模索する量子ビットチップのテストに役立ちます。底部の迅速なサンプリング機能は、冷却機全体の温度を上昇させることなく、量子ビットチップを個別に交換できます。
従来の希釈冷却機は、全体の熱機を再冷却するのに約 2〜3 日かかりますが、Proteox は底部の装填設計を組み合わせることで、チップの交換と再冷却の時間をわずか 3.5 時間に短縮しました。これにより、量子ビットチップのスクリーニング効率が大幅に向上します。

二、測定制御システム#

イオン捕獲、中性原子、光子などのシステムは自然粒子を量子ビットとして使用し、主にレーザーを通じて操作します。しかし、超伝導および半導体量子計算機においては、量子測定および制御システム（略して「測定制御システム」）が量子チップを制御、処理、計算する役割を果たします。初期の量子測定制御システムは、量子計算機の研究開発チームが一連の科学機器を利用して自ら構築したものでした。測定制御システムの最大の難点は、複数のビットを同時に操作する必要があることです。なぜなら、単一のビットには少なくとも 3 つ以上の DAC 出力チャネルが必要であり、ADC で読み取る際には少なくとも 2 つの DAC 出力チャネルが必要だからです。ビット数が数十ビットに達すると、多チャネルの同期や大量の実験コマンドをミリ秒内にハードウェアに同時にフィードバックすることが最も解決が必要な難題となります。近年、国内外の数少ない企業が量子計算機専用の測定制御システムを開発しました。

表 9 量子測定制御システムの発展の歴史

2016 年、スイスのチューリッヒ機器会社は量子測定制御技術の研究を開始し、その後量子測定制御ソフトウェア ——LabOne を発表しました。2018 年、チューリッヒ機器は超伝導およびスピン量子ビットを制御するための最初の商業量子計算制御システム（QCCS）を発表しました。Google は 2019 年に量子チップの自動キャリブレーションシステムである Optimus を開発し、Google の「量子計算の優越性」実験に使用しました。また、アメリカの測定機器会社は、量子測定制御システムの最初の開発会社の一つでもあります。

国内では、2017 年に設立された成都中微達信科技は、超伝導量子計算機の測定制御システムの開発を最初に開始したチームの一つであり、数年の発展を経て、同社の協力は国内の約 70% 以上の量子計算機会社および研究機関に及んでいます。中国科学技術大学、北京量子情報科学研究院、南方科技大学などに量子計算測定制御システムの設備およびソリューションを提供しています。
中微達信は 2018 年に国際的に初めて二次変頻体制に基づくシステムアーキテクチャを発表し、uV レベルの超低ノイズ、超高安定度の直流電圧生成、1KHz 以下の信号底ノイズなどのコア指標が国外の先進製品を上回っています。千チャネルの拡張可能なピコ秒レベルの同期精度の低ノイズ任意波形生成をサポートし、

信号の同期精度は 1ps に達する低ジッタートリガーおよびタイミング制御を実現し、200M〜20G の超広帯域、低位相雑音、高安定性、高集積度のマイクロ波信号生成を実現します。中微達信の量子計算測定制御技術のレイアウトは、量子計算機の発展の各段階をカバーしており、常温測定制御と低温測定制御の 2 つの技術ルートに関与しています。そのロードマップによれば、常温測定制御技術の下で、同社は 100 ビット級の拡張可能な量子計算常温測定制御を実現しており、2022 年には 1000 ビット内の常温量子計算測定制御の全線カバー能力を実現する予定です。低温測定制御技術の下では、3 年以内に 1000 ビット級の低温量子測定制御チップを開発する予定です。IBM、本源量子など国内外の主要な量子計算参加者が発表した量子計算のロードマップによれば、2023 年頃には量子計算測定制御システムが 1000 量子ビット級の制御能力を実現する必要があります。

図 4 量子計算測定制御システムの発展動向

本源量子は 2018 年に初の商用量子測定制御一体機 Origin Quantum AIO を発表し、合計 40 の機能チャネルを持ち、出力周波数範囲は 12-16 GHz で、8 つの量子ビットを測定制御できます。

2020