国立先进产业技术研究所[主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）新原理计算研究中心[研究中心主任：汤浅真司]首席研究官川端史郎与设备技术研究部[研究主任：中野隆]等人合作超导量子位由以下组成量子退火机的操作。
指定 AIST组合优化问题专用架构 (ASAC)。在此基础上，我们制作了六量子位量子退火机，并成功演示了其在10 mK绝对温度下的运行。通过使用 ASAC，可以用比传统方法少一个数量级的量子位来解决组合优化问题。这缓解了随着问题规模的增加而增加计算所需的量子位数量的实际问题。超导量子退火机的社会实施将提高药物发现和运输等广泛工业领域的效率。该技术的详细信息已在2021年6月22日至25日在线举行的绝热量子计算国际会议AQC2021上公布。
经典 2 位乘法电路专用超导量子退火机（6 个量子位）的显微照片。 Q1 至 Q6 是超导量子位。
在我们的生活中，我们经常从多种可能性中寻找最佳解决方案或接近最佳的解决方案。此类问题被称为组合优化问题，它们不仅存在于我们的日常生活中，而且存在于各个商业领域，例如药物开发和运输行业中最佳路线的搜索。然而，众所周知，组合优化问题的计算时间随着问题规模的增加而迅速增加。因此，有效解决兆比特到千兆比特规模的大规模实用组合优化问题对于未来的建设具有重要意义。社会50中需要
在此背景下，量子退火引起了广泛关注。量子退火是一个组合优化问题。伊辛模型的最小能态搜索问题,量子力学叠加来获得近似解的方法。转换后的伊辛模型由以复杂方式相互作用的量子位（自旋）组成。因此，在仅与相邻量子位交互的实际硬件中，为了解决任意组合优化问题，图嵌入的方法来实现远距离量子位之间的交互。
加拿大风险投资公司 D-Wave Systems 于 2011 年成功将使用超导量子位和图嵌入技术的量子退火机商业化，并于 2020 年销售了 5000 量子位级产品 D-Wave Advantage。美国和欧洲也在进行旨在实现类似量子退火机的大型国家项目。
使用图嵌入技术的传统量子退火机通过准备大量量子位副本来实现任意远程量子位之间的交互。因此，存在着一个严重的问题，即目前的量子比特数量无法处理大规模的组合优化问题，这一直是社会实施的障碍。采用图嵌入技术的5000量子位量子退火机旅行商问题时，最多只能处理10个城市。然而，对于社会实现来说，需要解决各种自由度超过10万个的组合优化问题。
此外，为了提高量子退火机、量子位的性能量子相干性被认为极其重要然而，最近的研究表明，即使使用具有高相干性能的量子位，图嵌入也会显着降低计算性能。
AIST开展多年耕耘的超导集成电路研发，并开发出超导量子退火机。超导量子计算机的硬件设计、制造和评估基础技术的研究和开发，并通过产学官合作将其应用于社会。此外，内阁府综合创新战略委员会于2020年制定了“量子技术创新策略'' 在 AIST 建立量子器件研发基地''（中心主任：Tetsuji Yasuda）正在进行这项研究和开发。
本研究开发是受国家研究开发机构新能源产业技术综合开发机构“实现高效率、高速处理的AI芯片和下一代计算的技术开发”委托的项目（项目负责人）项目“用于组合优化处理的创新型退火机的研究与开发（2016-2020财年）”（研究代表：正直） Yamaoka）”，由金山敏彦（Toshihiko Kanayama）选择），并与横滨国立大学合作进行。
AIST 是世界上第一个提出专门针对特定优化问题的量子退火机架构 (ASAC) 的公司。基于该架构，我们设计并制造了专门用于经典2位乘法电路的超导量子退火机（6量子位），作为经典逻辑电路组合优化问题的示例。
经典2位乘法电路的正确运算是26=64 种组合中的 2 种4=16 种方式。图 1 显示了使用低温评估系统在 10 mK 下获得的实验结果。经过10000次测量，确认正确率超过80%。这一成果将成为实现可处理大规模组合优化问题的实用超导量子退火机的重要基础技术。
通过使用 ASAC，可以用所需的最少数量的量子位解决大规模组合优化问题。因此，与图嵌入方法相比，冗余量子位的数量（这在扩大规模时是一个障碍）可以减少大约一个数量级。此外，ASAC还可以应用于各种组合优化问题。一个具体的例子是在新药开发中寻找分子的稳定结构。
图1 实现10 mK低温环境的低温性能评估系统（左）和专用于2位乘法电路的量子退火机（6量子位）（右）在10 mK下的实验结果。在 2 位乘法电路的 64 个候选解中，只有 16 个是正确的。
经过 10,000 次测量，正确答案率超过 80%。
未来，我们将制造大型量子退火机，演示其在极低温度下的运行，旨在展示ASAC方法的优越性（图2）。另外，为了实际使用，还需要提高正确答案率。因此，我们将开发降噪技术和高质量量子比特制造技术。
图 2 专用于 6 位乘法电路的超导量子退火机（78 个量子位）的概念图。
通过以瓦片的形式连接新实现的乘法电路单元（6个量子位），更大规模的乘法成为可能。我们的目标是在未来实现这一目标。
国立产业技术综合研究所
新原理计算研究中心
首席研究员 Shiro Kawabata电子邮件：s-kawabata*aistgojp（发送前请将*改为@。）