今年的諾貝爾物理可用能學獎授予了在構成物質的原子和電子等「量子科學」方面取得成果的三位歐美物理可用能學家。他們還是幫助人們實施「量子電腦」夢想的基礎資訊科技的關鍵人物。日本的產業技術綜合研究所（簡稱「產綜研」）和新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）向記者們介紹了日本在量子電腦方面的開發狀況，並公開了研發基地。研究人員強調：「雖然開發需要很長時間，但會以‘瘋狂爆炸般的速度’解決問題，在完成那一刻就會給社會帶來巨大的衝擊。」
有擅長解決的問題，期待廣泛應用
試製量子電腦電路的無塵室「Qufab」(產綜研在茨城縣築波市的研究基地)
「爲了因應 IoT（物聯網）社會不斷增加的資訊量，僅透過現有技術推進半導體的微細化已經顯現出了局限性。量子電腦和量子退火機作爲實施創新資訊處理的基礎技術被寄予厚望。」9月底，NEDO物聯網推進部部長林勇樹在產綜研位於茨城縣築波市的研究基地向媒體這樣強調。
以往的電腦根據施加在半導體上的電壓高低來表示0和1，以二進制進行運算，基本單位是「位元」。與此形成對照的是，量子電腦基於「量子疊加」這種量子力學世界的神奇特性，利用0和1疊加同時存在的狀態，將多個計算並行化，單位是「量子位元」。量子計算的高速運算能力甚至有可能遠超現有的超級計算機。
量子退火機是一種專門用來解決從多個路綫中找出最短路線這類「組合最適化問題」的量子電腦。「退火」一詞來源於將金屬加熱然後再緩慢冷卻，使結構穩定的工序。在量子退火中，使用量子力學的波動而不是由熱引起的波動，尋找低能量狀態下的最佳解。其原理是東京工業大學特任教授西森秀稔等人於1998年提出的。
例如，推銷員要在多個城市巡迴，需要尋找行程距離最短的路綫這個問題，城市越少越好，因爲城市越多，路綫的組合會呈指數增長，用遍歷的方法找出最佳解就越困難。對於這種問題，量子退火機就能發揮其優勢。
產綜研副主任川畑史郎在量子退火機顯微鏡照片前進行說明
量子電腦、量子退火機都有望作爲利用量子力學原理的電腦，應用於新藥開發、材料開發、人工智慧、金融等廣泛的領域。
產綜研新原理計算研究中心副主任川畑史郎介紹說：「量子電腦還處於近乎基礎的階段，並不是明天就能完成的。有人說最快也要20年、30年，甚至更久。（量子電腦）擅長的問題非常有限，但是能以‘瘋狂爆炸般的速度’迅速解決廣泛存在於各個產業領域的重要問題。在完成的那一刻，就會給產業界帶來顛覆性的衝擊。」
國際競爭愈發激烈，日本也在傾力開發
作爲NEDO的專案，產綜研從2016年度開始與日立製作所等一道重點推進量子退火機的研發。去年7月，產綜研發布消息稱，與橫濱國立大學合作，在日本國内首次開發成功量子退火機。雖然加拿大風投公司「D-Wave Systems」於 2011 年在世界上率先實施了量子電腦的商業化，但產綜研開發的量子退火機憑藉其獨有的構架，能夠用比傳統方法少一位數的量子位元來解決問題，能夠輕鬆處理大規模問題是其優點。
產綜研等開發的量子退火機部件
目前，作爲NEDO的「量子計算和伊辛（Ising）計算系統的綜合研究和開發」（最長到2027年度）委託專案，產綜研正在與NEC等合作推進包括量子電腦在内的研究開發，重點是量子退火機。
D-Wave Systems於2020年實施了5600量子位元級量子退火機商用機的銷售。不過，據川畑副主任介紹，這樣的性能最多能解決10個城市的旅行商問題。要實際應用於社會，100萬量子位元規模的大型積體電路化必不可少。量子電腦方面，美國IBM去年實施了128個量子位元，但要達到實際應用所需的100萬量子位元，據說還需要20到30年的時間。「整合度還差着一位數，未來還必須進行長期的研究和開發」。
在量子電腦開發方面，IBM、谷歌、英特爾等都提出了戰略目標，國際競爭愈發激烈。日本也制定了戰略目標，爲此一直在推進產官學合作，例如在文部科學省的「光·量子飛躍旗艦計劃（Q-LEAP）」（到2029年度）以及内閣府的「探月型研究開發制度」中，科學技術振興機構（JST）負責的目標是「到2050年實施能使經濟、產業、安全保障飛躍性隊形變換的故障容許度型通用的量子電腦」。這種「故障容許度型通用的量子電腦」是指大型積體電路化，能在多種用途中發揮出足夠精度的量子電腦的高級形態。
日本政府今年4月編制了旨在利用量子技術改造社會的「量子未來社會願景」。
極低溫、自動檢測——加快開發的「王牌」
產綜研引進的「稀釋冷凍機」
產綜研向媒體說明了一系列情況，並公開了研發基地的最新設備。其中之一是量子電腦和量子退火機工作所必需的幾乎絕對零度的低溫下，用於性能評估的冷凍機。該機器是從芬蘭的一家企業引進的，用來評估實體模型。
現在平時使用的個人電腦是由CPU（中央運算處理裝置）進行控制和運算，在量子電腦中兩者則是分開的。所以目前的情況是，運算的晶片放在冷凍機内，旁邊立着用電纜相連的巨大的控制裝置。爲此，產綜研正在開發具有控制功能的小晶片「低溫CMOS積體電路」。如果能夠實施，那麼系統將變得更小更省電。
作爲提高研發水平的「王牌」而導入的探測儀，能夠在極低溫條件下直接在直徑300毫米的晶圓（基片）上連續自動偵檢器件性能。傳統的裝置體積較小，需要分割晶圓手動檢查，一次檢查幾個元件。瞄準大規模化而導入的探測儀使檢測速度提高了100多倍。它能在低溫CMOS積體電路的基本元件——電晶體等的開發中發揮作用。
「300毫米低溫晶圓檢測儀」（左），及直徑300毫米的晶圓（右）
此次還公開了引進專用裝置建設的日本最大規模的無塵室，以及實際製造的量子退火機晶片等。川畑強調說：「爲了達到最終目標‘故障容許度型通用的量子電腦’，相關研究開發正在世界範圍一步一步地推進。像接力賽一樣，傳遞技術接力棒，長期持續下去非常重要。」
量子電腦的開發確實是一項以實用化爲目標的長期舉措，需要好幾代研究人員的努力。此番公開展示，讓人們看到了爲未來社會而在紮實開發的最前線。量子力學充滿了不可思議，說實話很難理解，記者也想邊學習，邊關注關係着日本產業競爭力的研究開發動向。
原文：草下健夫/ JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【相關鏈結】
產綜研「量子計算和伊辛（Ising）計算系統的綜合研究和開發」
JST「光·量子飛躍旗艦計劃（Q-LEAP）」
JST「登月型發展專案目標6 到2050年實施能使經濟、產業、安全保障飛躍性隊形變換的故障容許度型通用的量子電腦」
内閣府 「量子未來社會願景」
