上接： 【量子技術現在時】（一）綜述：在需求眾多的廣泛領域獲得飛躍發展
【OVERVIEW】對於量子計算機的實現目前已提出了幾種方法，其中取得進展最多最的是超導方式。與現在的計算機一樣，量子計算機也需要整合量子位元，但不受環境溫度和磁性等影響的輸入輸出線路一直是需要解決的大問題。東京理科大學研究生院教授蔡兆申提出了一種新電路，在平面上排列量子晶片配線後進行摺疊，利用摺紙構造實現整合化，為量子晶片的封裝作出了重大貢獻。
蔡 兆申
東京理科大學研究生院理學研究科 教授
2016～2021年度CREST研究項目負責人
完成世界首次超導量子位元實驗
發現電子的自由往來
2019年，美國谷歌公司宣佈量子計算機僅花費200秒就解決了超級計算機需要1萬年才能演算出來的問題，由此對量子計算機的關注度迅速高漲。作為CREST「利用超導人造原子的光量子實現量子資訊處理」課題的項目負責人，東京理科大學研究生院蔡兆申教授對這種量子資訊處理的特點是這樣解釋的:「與我們現在使用的傳統計算機相比，量子計算機的優勢在於處理速更快，能夠同時推導出多種可能性，處理更多的資訊，解決複雜得多的問題。」
這一優勢源於資訊的處理方式。傳統計算機將資訊變為「0或1」的狀態，而量子計算機則將資訊變為0和1的疊加來處理。傳統計算機一次只能處理一條資訊，而量子計算機可以同時處理多條資訊，實現並行計算。蔡兆申教授是眾多被量子計算的魅力所吸引的人之一。
蔡教授研究量子位元的契機是參與CREST「金屬細小通道結合系統的物理可用能和元件應用」（1996-2001）的項目，研究當金屬冷卻至接近絕對零度（-273.15°C）時電阻降至零的超導條件下的電子行為的時候。「就像水龍頭滴水珠一樣，當我縮小電支控道的直徑，讓電子一個一個通過時，出現了一種量子態忽現忽隱的現象。這太有意思了！從那時起，我就開始投入了量子位元的研究。」
1999年，蔡教授與當時在日本電氣基礎研究所工作的中村泰信（現為東京大學先進科學技術研究中心教授）一起，全球首次成功完成了超導量子位元實驗（圖1）。當兩個處於超導狀態的電極相互靠近時，會出現結合部分的電子在兩個電極之間自由往來的量子態，這種現象被稱為「約瑟夫森效應」。此外，兩人還證實了，可以通過在外部發射微波脈衝控制和擷取量子態。
圖1.1999年開發的超導量子位元的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像和電路圖。
世界上首個超導量子位元應用了傳統半導體製造技術，由超導體-絕緣體-超導體（SIS）的約瑟夫森結構成。
「在此之前，量子行為僅限於原子和分子的世界，像金屬電極這樣大的物質能夠產生量子行為是超越常識的，我們將其稱之為‘宏觀量子相干態’」。因為蔡教授研究團隊開發的超導量子位元是一種易於處理且易於整合的固態元件，所以世界各地的研究人員之後也相繼開始開發超導電路方式量子計算機。當時，超導量子位元並不穩定，維持量子態的相干時間為奈秒（奈秒是十億分之一秒）級別，而現在已經達到能夠實際應用的毫秒級別，前面提到的谷歌的成果也與其有關聯。
轉換思路誕生的新電路
10量子位元的驗證取得成功
目前，量子計算機大致可分為兩類：一種是專門用於組合最適化問題的量子退火方法，另一種是像傳統計算機使用AND、OR和NOT等閘那樣建立量子計算電路來解決問題的量子門方法。蔡教授的團隊正在研究的超導方法屬於量子門方式中的一種，除此之外，還有在常溫下工作的光量子和離子阱等方法。退火法在商業化方面處於領先地位，而量子門方式在通用性方面具有優勢，對於實用化的期待也很高。
超導電路方式存在的一個大問題就是量子位元的整合化。迄今為止開發出來的基於超導電路的量子計算機停留在大約100個量子位元水平。考慮到現在的計算機的一個CPU晶片就整合有數以億計的單元，所以量子計算機的整合水平仍處於初期階段。
而且，作為量子位元的特性，在受到環境溫度和磁場等影響時容易出錯。因此，將多個量子位元整合在一起，需要在計算期間邊隨時糾錯邊計算。所以，至少需要整合大約1,000個量子位元才能完成高精度計算。此時需要解決的問題就是布線。
在超導電路中，量子位元被配置成平面晶格狀，需要布線來向各個量子位元發送控制信號和擷取計算結果的信號。100個量子位元為10×10的晶格，此時尚可以從垂直方向布線來對應，但是，如果是900個量子位元，那晶格就會變成30×30，而若是1萬量子位元，則變為100×100。蔡教授向我們說明了面臨的課題和解決問題的思路，即，「外緣部分的量子位元還容易布線，而越接近中心位置的量子位元其布線不僅愈發困難，而且受布線的影響還容易出錯。因此，我們轉換了思路，思考出了一種新的布線技術。」
具體來說就是將量子位元的平面晶格像摺紙或者屏風一樣摺疊起來，讓所有的量子位元都處於外側（圖2）。這樣，不僅更容易布線，而且還會減少布線間的信號串線和損耗，從而提高了邏輯量子位元的可靠性。最大的難題是在摺疊時，一部分連接量子位元的布線會出現交叉，但我們通過微波裝置等採用局部立體構造的跨線技術解決了這一難題。
圖2.超導量子計算機的新型電路方式。
將平面量子位元布線（a）拉長為（b）的狀態，然後，把每列量子位元像摺紙一樣依次折回，這樣，量子位元就會向（c）一樣排列在外側。
目前，研究團隊正在試製一個10量子位元的超導電路以驗證這種新電路方式，確認是否可以利用現有技術實現這種新電路。蔡教授表示，「理論上講，這種做法可以對高保真糾錯所需要的900個量子位元進行布線，900位元作為一個外掛程式，將多個外掛程式連接在一起，就有可能實現1萬個乃至100萬個量子位元的超導量子計算機。」
當然，要實現超導量子位元的大型積體電路，包括布線在内還存在著許多問題， 解決這些問題需要將量子力學、奈米技術、超低溫學、微波工程和低干擾檢測領域的尖端技術結合起來。目前，蔡教授正在將跨學科領域的合作納入視野，向著攻克下一個難題進發。（TEXT：森部信次、PHOTO：石原秀樹）
原文：JSTnews 2022年9月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
