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RIKEN 量子计算机研究中心主任 Yasunobu Nakamura； Katsuya Kikuchi，米乐m6官方网站3D集成系统组研究组组长； Hirotaka Terai，国立信息通信技术研究所超导ICT实验室主任；大阪大学（研究生院）量子信息与量子生命研究中心主任北川胜宏（研究生院） 2023年3月27日，由藤井圭介（工学研究生院教授）、副主任藤井圭介（工学研究生院教授、RIKEN量子计算理论研究组组长）、富士通株式会社董事佐藤信太郎组成的联合研究小组量子研究所和日本电报电话公司计算机与数据科学研究所的特别研究员Hiroki Tokunaga将于2023年3月27日开展一项研究项目。量子计算机^[1]到云端并开始从外部使用它。

这项研究成果将有助于扩大国内量子计算平台的使用。

为了将量子力学的基本原理应用于计算、通信、测量等信息科学和信息处理技术，世界各地正在对处理量子信息的技术进行研究。 RIKEN于2021年成立了量子计算机研究中心，正在进行量子计算的量子计算机的研究和开发。

这一次，联合研究小组将朝着利用量子计算机构建量子计算平台迈出一步。超导方法^[2]第一台国产量子计算机。此外，使用这台机器，我们启动了可以通过互联网在外部使用的云服务。目前，用户将通过与RIKEN的联合研究协议来完成使用程序。

这项“量子计算云服务”是国内大学、企业等研究机构合作实现的。这项服务不仅可以培养国内量子信息研究研发阶段的人才，而且可以为国内以信息技术领域为中心的产业发展提供人力资源来源。

自20世纪初诞生以来，量子力学作为物理学的基础理论，为众多科学领域的发展做出了贡献。特别是，量子叠加^[3]、量子纠缠^[3]已成为现代科学技术发展的重要组成部分。然而，从20世纪末以来迅速发展的量子信息科学来看，人类尚未完全掌握量子力学。因此，世界各地都在进行研究和开发，将量子力学的基本原理应用于计算、通信和测量等技术领域，并带来传统技术所没有的先进性能。

理化学研究所于2001年成立了宏观量子相干研究组，由蔡兆深博士（现任量子计算机研究中心超导量子模拟研究组组长）领导，开始了量子信息科学的相关研究。此后，研究工作在多位研究人员的参与下不断取得进展，并于2021年在中村康信博士的指导下发展成为量子计算机研究中心。

在量子计算机研究中心，我们不仅基于超导量子计算机，而且还基于各种物理系统进行硬件研究，例如古泽明博士（量子计算机研究中心副主任、光量子计算研究小组组长）等人正在研究的光学方法、Seigo Tarucha博士（半导体量子信息器件研究小组小组长）正在研究的半导体方法以及使用真空中的原子。此外，量子计算理论、量子算法、量子架构等软件研究也在同时取得进展，我们正在量子计算机领域进行广泛的研发。

2021年，我们与富士通株式会社在量子计算机研究中心内共同建立了“RIKEN RQC-富士通协作中心”。我们还致力于研发，整合双方所掌握的计算技术和量子技术的应用知识，并在2023年底前发布用于工业应用的超导量子计算机。在这个合作中心获得的知识将被运用到这次即将推出的超导量子计算机中。

本次发布的超导量子计算机是量子位^[4]的 64 量子位集成电路该器件有两个特点：“二维集成电路”和“垂直布线封装”。

在二维集成电路上，排列成正方形的四个量子位通过连接相邻量子位的“量子位间耦合”连接（图 1 的右上）。此外，方形内部还放置了“读出谐振器”和“多读出滤波器电路”。通过在二维中排列这些由四个量子位组成的基本单元，可以创建量子位集成电路。这种 64 量子位集成电路由 16 个功能单元组成，形成在 2 厘米见方的硅芯片上（图 1）。

此外，有必要设计出控制每个量子位和读出线路的方法。这是因为，当在与量子位相同的平面上进行布线时，将布线引出到外部的边的长度对于芯片内部排列的量子位的数量来说是不够的。因此，我们采用了垂直布线封装方法，其中排列在二维平面上的量子位的布线垂直于芯片耦合。我们还在开发一种布线封装，可以将所有布线连接到量子位集成电路芯片上（图2）。

这些特征“二维集成电路”和“垂直布线封装”具有高度可扩展的系统配置，可以轻松增加量子位的数量。这使得在不改变基本设计的情况下支持未来的规模化成为可能。

用于控制量子位的信号是以微波频率（8 至 9 GHz）振荡的电压脉冲（图 3）。然而，每个量子位需要不同频率的微波，因此联合研究小组开发了一种可以产生高精度和相位稳定的微波脉冲的控制装置，以及使用它来控制量子位的软件。

这次，RIKEN 将提供“量子计算云服务”，以便您可以在任何地方使用这台超导量子计算机（图 4）。任何研究人员或工程师都可以申请用于非商业用途，以促进和发展量子计算等研究和开发。不过，目前使用程序将通过与 RIKEN 的联合研究协议进行。通过连接理化学研究所外部的云服务器，用户将能够向超导量子计算机发送作业并接收计算结果，超导量子计算机可用于符合联合研究目的的用途。

联合研究小组正在进一步进行系统开发，例如增加稀释冰箱内的布线密度（图 5），以便能够使用更多量子位进行量子计算操作。还有超导量子计算机NISQ^[5]在提供其作为应用平台测试平台的同时，我们将继续根据用户需求进行必要的研发，进一步完善公开设备。

通过发布此量子计算云服务，我们将通过深化与量子软件开发商、量子计算研究人员和企业开发人员的合作，进一步加速量子计算机的研发。

从首次在固态设备中演示量子位到现在，量子计算机的发展在过去 20 年中取得了长足进步。然而，要像使用传统半导体集成电路的计算机一样自由地在任何地方使用，还需要很长的开发周期。未来，我们计划以高度可扩展的集成电路（图6）为主要技术，实现100量子位、1000量子位等里程碑。另外，为了未来实现大规模量子计算机并在社会上落地，我们将开发集成100万量子比特的技术。纠错/容错量子计算^[6]的实现

[1]量子计算机

根据量子物理原理执行计算的计算机。通过利用传统计算机（经典计算机）中不存在的量子叠加和量子纠缠，有望能够有效地模拟分子中电子态等量子行为，并高速解决各种问题，例如素因数分解。[返回来源]

[2]超导法

一种量子计算机方法，使用称为约瑟夫森结的隧道结元件在使用超导材料的电子电路上实现量子位。由于量子位中代表“0和1”的能量差规模很小，因此需要在稀释冰箱中将其冷却至极低的温度（约-273摄氏度）以抑制热噪声。[返回来源]

[3]量子叠加、量子纠缠

量子叠加是指多种状态同时存在的状态，这与我们日常的尺度感不相容，并且可以具有复数的权重作为量子物理世界特有的效应。量子纠缠，也称为纠缠，是量子物理学特有的一种与量子叠加相结合发生的关联。[返回来源]

[4] 量子位

量子信息介质的最小单位。在普通数字电路中，比特采用两种状态之一：0或1，但对于量子比特，可以采用既为0又为1的量子叠加状态。0和1信息可以与任意复数权重叠加，并且一个量子比特的状态可以用从球体中心指向球体上任意点的箭头示意性地表示。[返回来源]

[5]NISQ

无法纠正由噪声引起的计算错误的中小型量子计算机的总称。希望在不久的将来通过变分量子算法等应用将其投入实际应用。 NISQ 代表嘈杂的中级量子计算机。[返回来源]

[6]纠错/容错量子计算

传统计算机也会出错，但它们具有在计算过程中纠正错误的功能。就量子计算机而言，还可以在纠正错误的同时进行量子计算。通过在多个量子位之间产生纠缠态，表达一个量子位的信息，并且通过检测纠缠量子位之间的干扰，可以在不破坏量子信息的情况下纠正错误。降低整个量子计算机控制和读取量子位时发生错误的概率，并在大规模执行时纠正计算过程中出现的错误而不累积错误影响的量子计算称为容错量子计算。为了进行实际规模的计算，人们认为有必要使用几百万到一亿个防错量子位。[返回来源]

这项研究得到文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP) 的支持，“超导量子计算机的研究和开发（研究代表：中村康信）拨款号 JPMXS0118068682”（RIKEN、大阪大学、富士通有限公司、日本电报电话公司、日本大学东京、东京医科齿科大学、东北大学、产业技术综合研究所、信息通信技术研究所、东芝公司、三菱电机公司、NEC公司、QunaSys公司）“通过智能量子设计进行量子软件的研究、开发和应用（研究代表：藤井圭介）资助号JPMXS0120319794”（大阪大学、庆应义塾大学、名古屋大学、东京大学、京都大学、日本电报电话公司、Etrees Japan Inc）、日本科学技术振兴机构（JST）ERATO“Gyo Nakamura”该项目得到了视觉量子机器项目（研究主管：Yasunobu Nakamura）、共创空间形成支持计划（COI-NEXT）和量子软件研究中心（项目负责人：Katsuhiro Kitakawa）的支持。

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