超伝導量子コンピュータの仕組みと 研究開発をめぐる最新動向 ·...
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超伝導量子コンピュータの仕組みと研究開発をめぐる最新動向
中村 泰信 東京大学先端科学技術研究センター
理化学研究所創発物性科学研究センター
第19回情報セキュリティ・シンポジウム 2018年3月1日(木)
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量子の発見 1900~
工学 ⇒ 物理学
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量子力学
1910~ 原子模型 不連続スペクトル 1920~ 波動力学・行列力学 重ね合わせ 不確定性 1930~ コペンハーゲン解釈 波束の収縮・量子飛躍
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量子情報科学 1980’s~
ファインマン 量子シミュレーション 1982 ドイチュ 量子アルゴリズム 1985 ショア 素因数分解アルゴリズム 1994 ショア 量子誤り訂正 1995
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量子ビットと量子並列性
量子ビット
3量子ビット: 8状態
ビット
𝒏量子ビット: 𝟐𝒏状態
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量子ゲート回路
例:量子位相推定アルゴリズム
⇒ Shorの素因数分解アルゴリズム etc.
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超伝導量子ビット 1999~
電気回路上で重ね合わせ
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原子と人工原子
I
LC共振回路 原子
~Å
= 人工原子
I
~mm
超伝導量子ビット
• 超伝導 ⇒ 低損失 • ジョセフソン効果 ⇒ 強い非線形性 • 巨視的サイズ ⇒ 電磁場と強く結合
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デコヒーレンス要因
フォノン?
光子?
磁場揺らぎ?
電荷揺らぎ? 電子/核スピン?
トラップされた磁束?
電荷/ジョセフソンエネルギー揺らぎ?
準粒子トンネリング?
周辺回路モード?
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超伝導量子ビットのコヒーレンス時間
W. D. Oliver and P. Welander, MRS BULLETIN 38, 816 (2013) MIT-LL
エネルギー準位構造最適化
表面・界面欠陥の影響希釈
表面・界面・誘電体の改善
高周波雑音シールド
非平衡準粒子対策
電荷ノイズの影響抑制
エコー・動的デカップリング
共振器による電磁場環境制御
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Ancient dream
永久機関
⇒ 熱力学の法則
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誤り耐性量子コンピュータ =永久量子機関
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2D surface code for fault-tolerant QC
データ量子ビット 診断用量子ビット
Syndrome measurement protocol
誤り耐性量子計算:表面符号
エラー診断プロトコル 誤り耐性ゲートエラー閾値 𝒑𝐭𝐡~99.4%
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世界の研究開発情勢
• UCSBの研究室を母体 • フリップチップボンディングによる集積化を展開
• 最近2×11=22ビット回路で実験中
• 49ビット集積化に取り組み中
9(=1×9)ビット集積回路 基本的量子誤り訂正実証 (2015)
Nature 519, 66 (2015)
https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/google-plans-to-demonstrate-the-supremacy-of-quantum-computing
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https://www.ibm.com/blogs/research/2017/11/the-future-is-quantum/?utm_source=twitter&utm_medium=social&utm_campaign=ibmq&utm_content=2050qubit
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Since 2013
19ビット 実験
API公開
Chad Rigetti (YaleIBMRigetti Computing)
垂直統合ビジネスモデル-すべて自前で開発 約100名のチーム
量子計算ソフト開発に取り組むスタートアップは他にも多数。実験は寡少。
Ref: http://www.bizjournals.com/sanjose/news/2017/03/28/rigetti-quantum-computing-y-combinator-a16z.html
arXiv:1712.05771
https://www.bizjournals.com/sanjose/news/2017/03/28/rigetti-quantum-computing-y-combinator-a16z.html
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超伝導量子アニーリングマシン
D-Wave 2000Q 2000量子ビット 最適化問題への応用を目指す コヒーレンスの要求度:低
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状態配位
エネルギー
量子アニーリング
イジング模型 ← 組み合わせ最適化問題
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量子コンピュータ 量子ネットワーク
量子シミュレータ 量子アニーリング
量子力学の原理(重ね合わせ・量子もつれ)に基づく新技術体系へ向けた世界的潮流
21世紀「量子情報革命」 ⇒ 超スマート社会(Society 5.0)を支える核心技術
量子情報処理
・・・ 光 原子 半導体 超伝導
「量子」を軸に 異分野技術融合
セキュリティ インフラ基盤
最適化問題・機械学習
大規模科学計算 材料・デバイス・化学 創薬・エネルギー
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量子の 概念
量子力学 確立
量子力学 の応用
量子情報科学 黎明期
量子情報 技術応用
1900 2000 2050 1950
20世紀:量子力学の世紀
物理・化学・工学全般の基礎原理
21世紀:量子情報科学の世紀
革新的情報処理技術として表舞台へ
20世紀 量子力学の世紀 21世紀 量子情報科学の世紀