【資料2-2】超伝導量子ビットを用いた量子情報処理技術

超伝導量子ビットを用いた

量子情報処理技術

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

20世紀：量子力学の世紀

1900 黒体輻射 (Planck)

1905 光電効果 (Einstein)

1913 Bohrの原子模型

1925 行列力学 (Heisenberg)

1925 波動力学 (Schrödinger)

素粒子から固体物理から宇宙まで（ほぼ）万物の基礎理論

21世紀：量子情報科学の世紀？

• 量子力学の新しい見方

• It from Qubit

• 異分野を結ぶ共通言語

• 実験コミュニティの融合

• 理論物理学の統一的理解

• 量子重力

• 量子場

• 凝縮系

etc.

超伝導量子ビット

Nakamura, Pashkin, Tsai, Nature (1999)

Chiorescu, Nakamura, Harmans, Mooij, Science (2003)

電荷量子ビット 磁束量子ビット

|0 と |1 の重ね合わせ状態実現

超伝導量子ビット ― 巨視的な人工原子

5

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

課題：デコヒーレンス

フォノン?

フォトン?

磁場揺らぎ?

電荷揺らぎ?

電子・核スピン?

トラップ磁束?

電荷・臨界電流揺らぎ?

準粒子

トンネリング?

回路上の

電磁場モード?

超伝導量子ビットのコヒーレンス保持時間

W. D. Oliver and P. Welander, MRS BULLETIN 38, 816 (2013) MIT-LL

エネルギー

準位設計

表面・界面効果の希釈

表面・界面・誘電体の品質

向上

高周波雑音

シールド

非平衡準粒子対策

電荷雑音耐性向上

エコー・

動的デカップリング

共振器による電磁場モー

ド閉じ込め

量子ビット制御・読み出し技術の向上

誤り耐性量子計算に必要とされる忠実度～

_99.3%

実験の現状

1量子ビットゲート (10 ns)

～

_99.95%

2量子ビットゲート (100 ns) ～ 99.5%

量子ビット読み出し

(100 ns) ～ 99.3%

エラーの大きさ ～ （操作に必要な時間）/（コヒーレンス時間）

コヒーレンス時間の向上 → 一層のエラー抑制

大きな双極子モーメント → より小さいパワーで高速制御可能

量子ビット集積回路へ向けて

J. Kelly et al. Nature 519, 66 (2015) UCSB/Google

量子ビット集積回路へ向けて

J. M. Gambetta et al. arXiv:1510.04375 (IBM)

D. Riste et al.

Nat. Commun. 6, 6983 (TU Delft)

誤り耐性量子計算に向けて

M. H. Devoret and R. S. Schoelkopf, Science 339, 1169 (2013) Yale

量子誤り訂正

― 損益分岐点 “break-even point”

N. Ofek et al. arXiv:1602.04768 (Yale)

物理ビットより長寿命の

論理ビットの実現

E.T. Holland et al. arXiv:1504.03382 (Yale)

量子

アニーリング

量子ビット集積回路の基底状態

_{→ 最適化問題}

⇔ 量子ゲート方式

_{→ 万能量子}

計算

海外の研究動向（超伝導量子

計算・アニーリング

実験）

IARPA MQCO → LogiQ (IBM, Raython-BBN) CSQ (UCSB) → QEO (MIT-LL)

AirForce Yale

Google (←UCSB) , Google+NASA，USC

UC Berkeley, Chicago, Princeton, MIT, Syracuse, Wisconsin, Pittsburg, Maryland, Washington, Rutgers, NIST, JILA, LPS，JQI, 他

スタートアップ企業 _{(>5; 含むカナダ)}

D-Wave, IQC Waterloo (x3)

QuTech (TU Delft, Intel; Netherlands) ← IARPA LogiQ ETH Zurich (Switzerland) ← IARPA LogiQ

CEA Saclay, Grenoble (France), Chalmers (Sweden), Oxford, UCL (UK), TU Munich, Karlsruhe, Jena (Germany), Innsbruck, TU Wien (Austria) 主に米国帰りのPIが各大学・機関で多数のチームを立ち上げ中 (5~10?) 中国科学院，_{Alibaba, NVIDIA} Queensland, UNSW 日本 東大，理研，NTT，NICT，理科大，AIST 米国 カナダ 欧州 中国 オーストラリア 15

海外の研究動向（イオントラップ量子計算実験）

IARPA LogiQ (Maryland, Duke, Georgia Tech) NIST

MIT, Northwestern, UCLA, Washington

Innsbruck (Austria) ← IARPA LogiQ ETH Zurich (Switzerland)

Oxford, Cambridge, Sussex, ICL, NPL (UK), Aarhus (Denmark), CNRS Paris (France), MPQ, Saarlandes, Ulm (Germany)

Sydney ← IARPA LogiQ

日本 阪大，NICT 米国 欧州 オーストラリア Science 345, 302 (2014) Innsbruck Science 339, 1164 (2013) 著作権の都合上、画像を表示しておりません。 16

海外の研究動向（トポロジカル量子計算実験）

Microsoft Station Q, Caltech (USA), Basel (Switzerland) （理論） Majorana fermion

QuTech, TU Delft (Netherlands) ← Microsoft NBI (Denmark) ← Microsoft

Princeton, Notre Dame, Pittsburg (USA), Lund (Sweden) Fractional quantum Hall effect

Alcatel Lucent Bell lab (USA), Weitzmann (Israel), MPI (Germany)

日本 東大

Mourik et al. Science 336, 1003 (2012) TU Delft

Albrecht et al.

Nature 531, 206 (2016) NBI

1. 基礎研究で残っていること（テーマ）は何か？

自由度の大きい量子系を構築し自在に制御する方法

それを有用かつ効率的な情報処理に結び付ける理論

量子情報理論をベースに基礎物理理論を統合

2. 社会的／産業的意義は何か？（日本は世界の中でどの様に貢献していくか）

情報処理技術・制御技術・計測技術などの飛躍的向上

プレゼンスを高め，有能な人材が集まる国にすること

世界の一員として科学技術の発展に貢献

3. なぜ、日本でやるのか？（日本の強み）

材料・実装技術の強み

独自の視点・アイデア，「日本辺境論」

4. なぜ今、研究を始める必要があるのか？

世界的に研究が活発化し，新規アイデア・技術への要求が高まっているため

量子リテラシーを持つ人材育成と人材確保のため

研究にはやってみて初めて分かることが多いため

日本の課題・強みと弱み

課題

• 拠点の整備

• 若手のポスト確保

• 安定した十分な投資

• 人材育成

強み

• 独自の視点・アイデア， 「日本辺境論」

• 材料・実装技術

• 若手の優秀な人材

弱み

• 人材層の薄さ

• 言語的・地勢的バリア・海外との限られた人材交流

将来注力すべき分野

• コヒーレンスは最大の資源

• 制御性

• 集積可能性

• 超伝導回路

• Si中の電子スピン

• ダイヤモンド中の色中心

• イオントラップ

• 光格子中の中性原子

• 量子光学

• 量子情報理論

21世紀を量子情報科学の時代に！