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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あった。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る。
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する。2021 年以降、主要な研究チームはすべて突破を達成し、中性原子会社の 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た。
超伝導の分野では、中国科学技術大学の 66 量子ビット「祖冲之号」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 桁向上した。Rigetti はモジュール型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 量子ビットのプロセッサを発表する予定である。IBM は 127 量子ビットのプロセッサ Eagle を発表した。
イオン捕獲の分野では、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 量子ビットに拡張した。光量子の分野では、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あるが、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る。例えば、Xanadu 社と国防科技大学はプログラム可能な光量子計算チップを展示し、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ある。
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別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する）、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る。
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記録（5500 秒）を更新した。
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るが、量子ビットの数が少ない。超伝導量子計算機、例えば祖冲之号と悬铃木では、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ない。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する。日本 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が半導体技術を通じて達成した 99.99% であるが、彼らはわずか 2 つの量子ビットを開発した。
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長所と短所がある。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る。測定と制御の分野でも、2021 年に突破があった。2021 年にチューリッヒの機器を代表とするいくつかのメーカーが 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登場に向けて堅実な基盤を築いた。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ない。2019 年に Google がスパコンで 1 万年かかる計算を完了したと主張したが、最近の研究で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が示されている。
2021 年のこの分野のテーマは古典的な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。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る。

二、量子計算産業チェーン

量子計算業界は現在、初期の探索段階にあり、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ある。現在、IBM、Google、Amazon、Microsoft、Intel、Honeywell などの外国のテクノロジー大手が業界のリーダーであり、IonQ、Rigetti、PsiQuantum などの量子計算の新興企業は数億ドルのベンチャーキャピタルを獲得し、同様に強力である。国内のテクノロジー大手である Alibaba、Baidu、Tencent、Huawei なども追随しているが、国内のリーディングな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ある。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持っている。

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る。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、本源量子は外国のメーカーと差がなく、さらにはより高いレベルに達することも可能である。
さらに、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る。

チップ製造の面では、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るが、一部の先進的な量子計算チームは工場で量子チップを製造している。例えば、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）の工場で製造されたものである。

2022 年 1 月、本源量子が自主的に建設した 2 つの実験室 — 量子チップ製造パッケージング実験室と量子計算組立テスト実験室が正式に稼働した。これは 2021 年に本源 - 晶合量子チップ共同実験室が建設された後、国内で 2 番目の工業化量子チップ実験室である。

産業チェーンの中で、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おり、現在のリーディングなハードウェアチームは主にテクノロジー大手と実力のある研究機関（例えば中国科学技術大学）であるが、中国のテクノロジー大手は量子計算の配置が遅れており、スタートアップ企業である本源量子、国盾量子、启科量子、图灵量子が業界の中核的な力となっている。ソフトウェアの面では、国際的にはすでに 100 以上の量子ソフトウェア会社が存在するが、中国の量子ソフトウェア会社は比較的少ない。

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介して量子ハードウェアを利用する形で行われている。量子計算と古典計算は置き換え合う関係ではなく、計算能力が非常に高い特定のシーンでその高速並列計算の独自の利点を発揮する。
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ないが、研究は主に以下のタイプの計算問題に集中している：

• 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、今日の古典計算機では記述や理解が難しいか不可能である。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つ。

• 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する。幹線物流やポートフォリオリスク管理に適用可能である。

• 機械学習：データ内のパターンを特定して機械学習アルゴリズムを訓練する。これは、人工知能の発展（例えば自動運転車に使用）を加速させ、詐欺やマネーロンダリングを防ぐのに役立つ。

• 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すること。

業界的には、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、車両、航空、エネルギー、気象などの分野を含む。
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、大型分子の性質をコンピュータのデジタル形式で直接研究者に提供し、理論的な検証時間を短縮し、製薬業界の薬品研究開発や新材料の開発を大いに推進することが期待される。

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、デリバティブの価格設定などに潜在的な利点を持つ。非公式な統計によれば、世界中で 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る。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連しており、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、コストを削減する。

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、複雑なシステムの最適化などに貢献し、航空機の製造や飛行方法を変える可能性がある。
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ことに応用できる可能性があり、これは効率的な炭化水素生産の重要な要素である。風力発電所の流体力学を分析・管理する。自律ロボット施設の検査を最適化する。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に役立つ。

2021 年 2 月、イギリスの BP 社は IBM Quantum と提携し、エネルギー効率の向上と炭素排出の削減を探求した。

• 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る。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る。

• 気象：量子計算は多く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、並列計算と継続的に最適化されるアルゴリズムは、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つ。また、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る。

量子計算機 —— 同時に進行中の現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持ち、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る。

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、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、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た。

• トポロジー方案は「マヨラナ粒子の発見」（トポロジー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たが、研究者たちはこの誤りを訂正することなく、誤り訂正を必要としないこの方案が実現できると信じている。要するに、量子計算の物理実現方案の発展はまだ収束していない。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）方案も良好な成果を示しており、2021 年には日本の NTT が CIM 方案を通じて 10 万量子ビットを実現した。ゲートベースの量子計算機と直接比較することはできないが、これは小さなマイルストーンでもある。特筆すべきは、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、ある意味で量子アニーリング機の将来が限られていることを示している。

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に良好であることを示す。

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である。

• 超伝導効果はマクロ量子効果として、量子状態のコヒーレントな制御に無損失の環境を提供する。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を受けることができ、回路はより容易にカスタマイズ開発が可能である。

• 集積回路技術が成熟しているため、超伝導量子回路の拡張性の利点はさらに明確になる。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、量子状態の制御と読み出し、量子ビット間の制御可能な結合、中大規模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る。

• 2021 年、中国は超伝導量子研究において重要な進展を遂げた。
• 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、可調結合器を利用して高忠実度、高拡張性の 2 量子ビットゲート方案を実現した。実験では迅速（30ns）かつ高忠実度（0.995）の 2 量子ビットゲート操作を実現した。以前の 2 量子ビットゲートと比較して、この方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 号を立ち上げた。
• 5 月、中国科学技術大学の中科院量子情報と量子技術革新研究院の潘建偉、朱晓波、彭承志らで構成された研究チームは、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「祖冲之号」を成功裏に開発し、これに基づいてプログラム可能な 2 次元量子ウォークを実現した；
• 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「祖冲之号」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「祖冲之二号」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。
• 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の影響を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識別し読み出す革新的な方法を提案し、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、可調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 つの状況で、二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。
• 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 を発見した。
• 10 月、テンセント量子ラボは、迅速、高忠実度、拡張性のある超伝導量子ビット初期化方案を実現し、業界の既存の作業と比較して、この初期化方法は速度が速く、忠実度が高く、周囲のビットへの影響が小さく、拡張性が高いという利点を持つ。
• 9 月 12 日、浙江大学は 2 つの超伝導量子チップを発表した。「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精密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る。もう一つのチップ「天目 1 号」は汎用量子計算を目指し、比較的容易に拡張できる近接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）を集成し、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）の物理学者が金属電線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・制御し、量子計算機の拡張性を実現することに成功した。2021 年 9 月、日本の情報通信研究機構（NICT）が全窒化物超伝導量子ビットを開発し、その超伝導転移温度は 16K（-257℃）であり、他の超伝導量子ビット構造に必要な温度よりも 15 度高い。
• 2021 年 11 月、コロンビア大学工学部の James Hone 教授の実験室が、2D 材料で作られた超伝導量子ビットキャパシタを展示し、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。
• 2021 年 12 月、IBM は現在最高の量子ビット数を持つ超伝導量子計算チップ ——127 量子ビットプロセッサ Eagle を発表した。
• 2021 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、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ている。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た。
• 2021 年 12 月、フィンランド国家技術研究センター（VTT）と IQM 社は、国内初の 5 ビット超伝導量子計算機 Micronova を発表した。2021 年の進展とともに、いくつかの研究が超伝導量子計算機に以前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る。
• 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た。2021 年 8 月、フェルミ国立加速器実験所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た。研究者たちはこれらの障害を克服するために努力している。

二、イオン捕獲 —— 量子体積#

イオン捕獲、またはイオン囚禁は、技術原理として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使用し、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する。

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、量子ビットの製造と読み出し効率が高いという 3 つの特徴を持つ。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の面で他の技術ルートに先行している。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急いで解決すべき主要な問題である。

近年、世界中の研究チームはイオン捕獲量子計算機の構築に取り組んでおり、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る。この種の計算機は、実際の応用に最も有望な量子計算システムの一つである。

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 秒に引き上げた。

• 2021 年 6 月、インスブルック大学の実験物理学部の研究者たちは、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た。
• 2021 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ない。
• 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 - 自発放射光子関連技術を利用して、イオン捕獲中の量子ビットの微小運動抑制の自動化処理を実現した。これは国際的に初めて、神経ネットワーク技術を囚禁イオン量子ビットの微小運動制御に応用したものである。2021 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無レーザー方案の二量子ビットゲート忠実度の世界記録を樹立し、[0.9964, 0.9987] に達した。この方案は、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ペア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る。
• 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、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り、長いイオン鎖の効率的な協調冷却を初めて実現し、全体的なレーザー冷却の限界に近い温度を得た。これは多イオンビット量子計算の技術基盤を準備するものである。2021 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た。彼らは BaconShor-13 エンコーディングを使用して 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た。2021 年 12 月、ホニウェルチーム（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た。研究者たちは [[7, 1, 3]] カラーコードを使用した。ホ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エンコード、制御、繰り返し修正した。2021 年の最後の日、Quantinuum は再び驚きをもたらし、彼らのホニウェル H1-2 量子計算システムが 2048 量子体積を測定した。これはすべての技術ルートの中で最高の数値である。

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の特性がある。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非常に弱いためである。光量子計算機は室温の大気環境で動作可能である。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、高データ転送容量を提供する大帯域幅を持つ。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る。光子の大帯域幅は光量子計算機においても高速（高クロック周波数）操作を提供する。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。また、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、効率が低下する。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る。

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るにふさわしい。

• 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、新型光学量子計算機を開発する方法を見つけ、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た。

• 2021 年 2 月、国防科技大学と他のチームが協力して新型プログラム可能な光量子計算チップを開発し、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た。

• 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ある。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る。

• 2021 年 5 月、北京大学物理学院、人工微構造と介在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た。このチップは 350 以上の光子素子と近 100 の可調位相シフターを単一チップに集成しており、現在最大の光量子チップの一つである。

• 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る。

• 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方案を提案し、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た。2021 年 8 月、バージニア大学電気工学とコンピュータ工学部の助教授 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使用して、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ある。2021 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、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。

• 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る。

四、中性原子 —— アメリカが先行#

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する。次に、原子基底状態の超精細エネルギーレベルの 2 つのマグネティックエネルギー準位を量子ビットの 0 状態と 1 状態としてエンコードする。高数値孔径レンズは、原子ビットを操作するために必要なラマン光、リードバー光、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する。レンズはまた、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する。

中性原子捕獲量子計算機は、量子ビットの品質が高く、コヒーレンス時間が長く、量子ビットの製造と読み出し効率が高いという 3 つの特徴を持つ。現在、中性原子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の面で他の技術ルートに先行している。しかし、拡張性が悪いという問題は中性原子捕獲システムが急いで解決すべき主要な問題である。

近年、世界中の研究チームは中性原子捕獲量子計算機の構築に取り組んでおり、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る。この種の計算機は、実際の応用に最も有望な量子計算システムの一つである。

2021 年、中性原子捕獲量子計算機は新たなマイルストーンを達成した。2021 年 7 月、量子スタートアップ企業 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、冷原子技術の中で 2 次元 11×11 グリッドに配置されたセシウム原子を使用した。

• 2021 年 7 月、別の量子計算スタートアップ企業 Atom Computing は、第一世代の量子計算システム Phoenix を発表した。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 100 個の原子（各原子が 1 つの量子ビットを表す）を光トラップで捕獲し、強い安定性を持つ。2021 年 7 月、ハーバード - MIT 超冷原子センターが率いる研究チームは、中性原子プログラム可能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。研究者たちはこの機械を使用して、以前は実験的に実現されていなかったいくつかの奇妙な物質量子状態を観察し、正確な量子相転移の研究を行った。

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する半導体ナノ構造である。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 倍を超えない。シリコン量子ドットは、量子ドットの例の一部である。純粋なシリコンに電子を追加することによって、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する。

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ある。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る。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ある。

• 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た。外部磁場とシリコン基板の結晶方向の相対方向を変更することによって、スピン量子ビットの制御速度、脱コヒーレンス速度、アドレッサビリティを同時に最適化できることが示された。

• 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の制御と読み出しをサポートする電子デバイスと同じ集積回路に統合した。2021 年 6 月、日本の理化学研究所（RIKEN）の研究チームは、可エンタングル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状態にあった。

2021 年 10 月、コペンハーゲン大学の Assoc 研究チームは、単一の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に成功した。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が共同で、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た。これは現在までに国際的に報告されている最高値である。

六、トポロジー量子計算 —— 依然として不確実性があるトポロジー#

量子計算は、トポロジー材料中に存在する非アーベル統計の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方案である。材料のトポロジー安定性により、トポロジー量子計算は多体システム内のトポロジー量子状態を利用して量子情報を保存し操作することができ、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る。トポロジー量子計算は量子計算の最前線の研究分野である。マイクロソフトは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が、2021 年のトポロジー量子計算は依然として一定の成果を上げている。

2021 年の初め、ニューヨーク州立大学の Li Qiang 教授は、トポロジー量子計算を実現するための鍵を発見し、新しい光誘導スイッチを発見した。これにより、ワイラーメタルの格子を歪め、ほとんど散逸のない巨大な電子流を開くことができる。この特性の発見は、トポロジー量子計算などの応用を実現するための一歩を前進させた。2021 年、中国はこの方案の探求と実施において一連の画期的な進展を遂げた。材料の成長と製造の面では、中国科学院半導体研究所の趙建華研究グループが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で原位エピタキシス成長を実現し、異質接合界面を原子レベルで平坦にした。清華大学の何珂 - 薛其坤研究グループは、選択的エピタキシス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、トポロジー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、将来的に多マヨラナ量子デバイスを実現するための基盤を築いた。トポロジー量子デバイスの製造と輸送測定において、中国科学院物理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」において完全な電子奇偶性（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、将来のトポロジー量子ビットの構築に向けた調整基盤を提供した。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と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全く異なるスケールの振る舞いと温度電圧依存性を持つことを示し、ナノワイヤシステム内の「マヨラナ状態 - アンドレエフ状態」の競争と議論を解決することが期待されている。

表 8 2021 年トポロジー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る。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や量子制御などの分野で広く注目されている。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る。しかし、量子計算機への応用には拡張の難しさがある。
2021 年 4 月、量子計算スタートアップ企業 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ある。

八、量子アニーリングマシン —— 進展はあまりない現在#

量子計算機は量子ロジックゲート計算機と量子アニーリング計算機に分けられる。前述の主要な技術ルートはすべて量子ロジックゲート計算機を構築するために提案されており、量子ロジックゲートに基づく量子計算機は、いわゆる汎用量子計算機である。本報告の前 7 つのシステムはすべてゲートベースの量子計算方案である。量子アニーリングマシン（Quantum Annealer）は量子ロジック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ものであり、特化した量子計算機であり、最適化問題の処理に独特の利点を持つ。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ない。特筆すべきは、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、ある意味で量子アニーリング機の将来が限られていることを示している。

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）と量子アニーリングマシンの原理は似ており、イジングモデルに基づいている。これは、人工的な磁石で構成されたプログラム可能なネットワークであり、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動作する傾向がある。動作原理は、磁石ネットワーク間の接続が再プログラム可能で、実際の問題を表す場合、最適化された低エネルギー方向を設定すると、最終状態から解を推測できる。

量子アニーリングマシンでは、これらの人工的な磁石は超伝導回路に置き換えられ、量子ビットとして機能する。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的パラメータ振動子（DOPO）に置き換え、DOPO パルスを結合して計算を行い、パルスの最終位相を測定することで最適な解決策を探す。CIM で使用される光パルスは往復して移動できるため、任意の 2 つのパルスが直接相互作用できる。さらに、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、制御性が良い。

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、中国のボソ量子技術会社が CIM の方向性での研究開発に取り組んでいる。

• 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、すべての量子計算技術方案の中で遥かに先行している。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ないが、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る。国内の CIM 研究はまだ始まったばかりで、ボソ量子は 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 以上の量子ビット級 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が進行中である。

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デバイス（主に mK 級の希釈冷却機）や、超伝導および半導体量子計算機に極めて重要な量子測定と制御システム（略して「測定制御システム」）を研究することが重要である。
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の間の接続を担う橋渡しである。
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を必要とする。
超高真空デバイスはイオン捕獲と中性原子システムに必須である。レーザーの応用は比較的広範囲にわたり、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の冷却または操作にレーザーを必要とする。
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あり、単一光子源は主に光量子計算機に使用される。一方、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る。

希釈冷却技術は 1950 年代に最初に提案され、その後 1960 年代に具体化された。現在普及している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ある。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 0.8K 程度で発生する相分離現象を利用している。相分離の後、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三濃相であり、下層は密度が高いヘリウム - 3 液体に一部ヘリウム - 3 が溶け込んだヘリウム - 3 希釈相である。ガス循環回路を設計してヘリウム - 3 を循環させ、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 級の最低温度を形成することができる。ヘリウム - 3 の濃相と希釈相の物理過程を利用しているため、この冷却機は希釈冷却機と名付けられた。

図 2 希釈冷却機の内部構造

技術的には、希釈冷却機の内部は真空腔内に置かれる必要があり、低温部品と外界の断熱を実現する必要がある。冷却の面では、mK 級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る。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、そ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 を初めて液化することができる。その後、蒸発冷却とジュール・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 の低温に達する。その基礎の上で、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、相分離を実現する。最後に、希釈冷却の原理を利用して mK 級の極低温を実現する。

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ハイテク分野の「新興企業」となった。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、イギリスのオックスフォード機器社、アメリカの JanisULT 社、オランダの Leiden Cryogenics 社などがある。
Bluefors 社は量子計算分野で早くからスタートし、市場シェアを長期間第一位に占めており、次いでオックスフォード機器社が続いている。例えば、北京量子情報科学研究院の入札公告によれば、2021 年に同機関が購入した Bluefors とオックスフォード機器の希釈冷却機はそれぞれ 8 台と 5 台である。現在、Bluefors の希釈冷却機には SD、LD、XLD、LH の 4 つのシリーズがある。その中で LD シリーズは Bluefors の最も売れ筋の希釈冷却機であり、LD250 と LD400 が含まれる。

2021 年 11 月、Bluefors は新しい低温プラットフォーム KIDE を発表した。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する。3 つの六角形の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ことができる。この低温プラットフォームはまだ開発中であるが、IBM はすでに今後発売される 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・開発することを支援した。Bluefors と比較して、オックスフォード機器社は量子計算市場に遅れて参入したが、近年、オックスフォード機器の希釈冷却機は量子計算研究開発チームからますます好まれるようになっており、特に 2020 年に最新世代の無液体ヘリウム希釈冷却機 Proteox を発売した後は顕著である。
現在、オックスフォード機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提供しており、モジュール型希釈冷却機 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 の基礎温度の極低温冷却機 Proteox5mK などが含まれている。

オックスフォード機器の Proteox 希釈冷却機は、底部の迅速なサンプル交換機能をさらに強化し、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探る量子ビットチップのテストにおいて、底部の迅速なサンプル交換機能は、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る。従来の希釈冷却機は全体の熱機を冷却するのに約 2-3 日かかるが、Proteox は底部の装着設計により、全体の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する。

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、主にレーザーで操作する。しかし、超伝導および半導体量子計算機にとって、量子測定と制御システム（略して「測定制御システム」）は量子チップを制御、処理、計算する役割を果たす。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独自に構築したものである。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ある。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であるからである。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がミリ秒内にハードウェアに同時にフィードバックされることが最も解決すべき難題となる。近年、国内外の数社が量子計算機専用の測定制御システムを開発した。

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）を発表した。Google は 2019 年に量子チップの自動化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ある。

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、国内の約 70% 以上の量子計算機会社および研究機関と協力しており、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る。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 級の超低ノイズ、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る。千チャネルの拡張可能なピコ秒級の同期精度の低ノイズ任意波形生成をサポートしている。

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；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。
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 つの技術ルートを含んでいる。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全線カバー能力を実現する予定である。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ある。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 年頃までに量子計算測定制御システムは 1000 量子ビット級の制御能力を実現する必要がある。

図 4 量子計算測定制御システムの発展トレンド

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