日立製作所(以下簡稱日立)6月12日宣佈，以硅量子計算機的實用化為目標，提出了一種可有效控制量子位元的「穿梭量子位元方法」，並已確認了其有效性。日立還與自然科學研究機構（NINS）分子科學研究所的大森賢治教授等組成聯合研究團隊，開始了針對包括該成果在内的適合量子計算機控制的「量子作業系統」的聯合研究。本次聯合研究，旨在加速大型積體電路化相關研究，以早日實現硅量子計算機的實用化。
圖1 可有效控制量子位元的「穿梭量子位元方法」（供圖：日立製作所）
一般認為，要實現農業領域備受關注的固氮酶的量子化學計算等傳統計算機無法實現的超高速計算，需要100萬量子位元以上規模的量子計算機。並且，為了實現如此大規模的量子計算機，需要安裝能夠有效控制整合化量子位元的技術和糾錯技術。
日立正在研發的硅量子計算機與先行開發的超導量子計算機相比，有望在大規模化方面發揮更大的優勢。然而，量子位元一般設置在固定的地方，且需要將計算和讀出電路連接到所有量子位元。此外，相鄰量子位元之間發生串擾（錯誤）等是阻礙大型積體電路化的主要因素。
針對上述課題，日立提出的穿梭量子位元方法預先設定對計算和讀出等進行控制的區域，使量子位元可以在預設區域間自由移動。由此，消除了將計算和讀出電路連接到所有量子位元的必要，簡化了硅器件的布線結構。並且，通過疏散相鄰的量子位元進行計算，從而抑制了串擾（錯誤）的影響。
在硅量子計算機中，單個電子被限制在硅器件中形成「量子點」精細結構中，其自旋被用作量子位元。此前，一直以該量子位元（電子）不在量子點中移動為前提，但日立著眼於陣列内的電子能夠移動這一事實，成功進行了原理實驗。
另外，如果能夠在保持量子態的同時移動（穿梭），將為控制量子位元的計算和讀出等帶來新的可能性。因此，日立提出了這種使量子位元進行穿梭的控制方法，將其稱為「穿梭量子位元方法」，並驗證和確認了其效果。
此外，研究人員還構建了一個結合了該效果的模擬器，並確認穿梭量子位元方法在受串擾影響嚴重的大規模數子計算中能夠保持比固定量子位元的傳統方法更高的量子計算精度（保真度）。通過移動量子位元，可以在任意量子位元間進行計算，且有望更為簡單地實現糾錯功能。
分子科學研究所大森教授的評論摘要
本次的成果定量地明確了硅基量子計算機中「動態」量子位元的有效性，是一項非常重要的成果。使用該技術，可以使任意一對空間上分離的量子位元在計算過程中動態接近，從而形成量子計算中不可或缺的「量子糾纏態」。
理論上，可以使構成量子計算機的所有量子位元都處於量子糾纏態。這對於超導量子計算機等在空間上固定每個量子位元的硬體來說是不可能的操作，有望為量子計算機的計算精度和演算法帶來突破性進展。
另一方面，分子科學研究所的冷原子型量子計算機也在推進動態量子位元的安裝，兩者的動態量子位元系統在控制系統方面有很多共通的部分，今後通過兩者的聯合開發，有望大大加速日本量子計算機的實用化。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
