量子コンピュータ技術推進委員会若手インタビュー 超伝導パラメトロンで拓く量子アニーリングマシンの未来：その挑戦とビジョン

＜目次＞

• 高速かつ高精度の扉を開く超伝導パラメトロン
• 対称性の破れから始まった量子研究への旅
• 量子アニーリングマシンの大規模化への挑戦

高速かつ高精度の扉を開く超伝導パラメトロン

――現在取り組まれている研究についてお聞かせください。

量子コンピュータには、現在主流のゲート型に加えて、量子アニーリングマシンというユニークなアプローチがあります。量子アニーリングマシンは、組合せ最適化問題を高速に解決することに特化しており、配送計画の最適化など、さまざまな社会問題の解決に役立つと期待されています。私たちは、量子アニーリングマシンを超伝導パラメトロンを使って実現しようとしています。

耳慣れない言葉かもしれませんが、超伝導パラメトロンは、ジョセフソン接合を含む超伝導共振回路です。この回路を共振周波数の約2倍の周波数で変調すると、0またはπのどちらかの位相で発振します。これらの異なる位相の発振状態を量子ビットとして使うことができるんですね。

NECでは以前、超伝導パラメトリックアンプの研究を行っており、その経験を基に超伝導パラメトロンの研究に発展しました。2018年からは、この技術を量子アニーリングマシンに応用するプロジェクトが始まりました。私は、この超伝導パラメトロンを用いた量子アニーリングマシンの開発において、特に量子ビットの性能向上に力を注いでいます。また、量子ビットだけでなく、4つの超伝導パラメトロンと1つの結合器から構成される基本ユニットの性能向上も研究しています。

――超伝導パラメトロンを用いることで、どういった利点や特徴があるのでしょうか。

発振状態を利用する超伝導パラメトロンは、長いコヒーレンスタイムを持ち、計算精度の向上が期待されています。発振状態は古典的な状態に相当し、発振に至る過程はやや複雑ですが、一度発振するとその状態は変わりにくくなるため、安定して読み出せると考えています。

さらに、我々の開発している量子アニーリングマシンでは、超伝導パラメトロンと結合器となる回路とを組み合わせることで、4つのビットを1組とするシンプルな基本ユニットを構成し、これをタイル状に並べる方式をとっています。

通常、1つの量子ビットは問題の1ビットに対応しますが、このシステムでは1つの相互作用に対して1つの物理ビットが対応します。これにより、組合せ最適化問題を解決する際に、任意の2つの論理ビット間の相互作用を表現できる全結合型アーキテクチャを実現できます。全結合の問題では、N個のビットがある場合、最大で(N×(N-1))/2の相互作用が生じます。これと同じ数の物理ビットを用意することで、対象の問題のサイズが大規模な場合であっても高速に解くことができると考えています。

同時に、量子アニーリングマシンの大規模化に必要な仕組みや、技術開発の研究も進めています。

――大規模化に向けては、どのような要素が必要になるのでしょうか？ 技術的課題や、それを克服するための方法について教えてください。

量子チップは冷凍機の中に配置され、極低温に保つことで量子現象が熱で壊れないようにしています。マイクロ波などの信号を送受信するため、冷凍機の中には信号線に加えアイソレーターなどのコンポーネントも必要です。しかし、単に信号線の数を増やすだけでは大規模化は達成できません。必要な要素を正確に見極めて準備する必要があります。

さらに、冷凍機の外部でも信号を生成して読み出す必要があるため、信号処理の方法についてチームで議論しながら進めています。もちろん、すべての機器を自前で製作することは難しいので、装置メーカーとの協力も欠かせません。

超伝導パラメトロンの基本ユニットは、見た目こそゲート型に似ているものの、その動作原理には同じ部分もあれば、異なる部分もあります。まだ解明されていないことも多く、こうした未知の部分の解明が私にとって非常に面白いと感じています。

対称性の破れから始まった量子研究への旅

――量子分野に興味を持ったきっかけを教えてください。

物理に興味を持ち始めたのは高校生のときでした。当時は、量子そのものよりも素粒子物理や物理現象全般に惹かれていました。特にノーベル賞で話題になったCP対称性の破れなど、対称性の破れに関する発見が物理の面白さを感じさせてくれました。

素粒子物理の分野では、大型実験が一つの花形です。例えば、ヨーロッパのCERNや日本のKEK（高エネルギー加速器研究機構）などの大規模な加速器施設での研究です。もちろん、そうした大規模実験には憧れていましたが、大学に進学してさまざまな研究室を見ていく中で、自分自身が興味を持つのは、もっと小規模で創意工夫ができる分野だと感じるようになりました。

結果的に選んだのは原子核物理の研究室で、そこでは量子効果を利用して物理現象を精密に測定し、対称性の破れを突き止めようとする実験的研究が行われていました。ですから、最初から量子を研究しようと決めていたわけではなく、対称性の破れの研究に興味を持った結果、その手段として量子技術があったといえますね。

――対称性の破れを研究する際に、どのように量子技術を活用したのでしょうか。

私が研究していたのは時間反転対称性の破れです。この破れは非常に微小であるため、破れを反映した物理量を測定するには高度な技術が必要です。ここで量子技術が役立ちます。

この研究では、対称性の破れを反映する電子の永久電気双極子能率（EDM)に着目し、この効果を増幅する現象を利用しました。これは原子核物理の手法を用いて、核融合反応で自然界に存在しない非常に重い原子を生成することから始まります。この重い原子は短時間で崩壊してしまいますが、相対論的効果によりEDMが増幅されるため、EDM探索において有利です。

次に、その生成された原子を精密に測定するためにレーザー冷却という手法を使用しました。この手法で原子を低速にし、さらにレーザー分光を行って詳細な測定をすることを目指していました。この過程は量子センシングに近い技術を使っており、大学時代には量子センシングの領域にも関わっていました。

高精度の測定には誤差の低減も重要です。研究グループではフランシウム原子をターゲットにしていましたが、私自身は、フランシウム原子を分光する際に、周囲の環境を正確に測定して、系統誤差を抑えるための磁力計の開発を行っていました。この磁力計の開発にも量子技術が活用されています。

――量子技術に初めて触れたときの感想を教えてください。

それまでは、自分が量子の分野に関わることになるとは思っていませんでしたが、興味の中で自然と量子の世界に触れるうちに「これが量子なのか」と新鮮な驚きを感じました。おそらく、私の性格や好みに合っていたんだと思います。

特に、量子技術に関わる中で、自分で実験を行い、その結果を見直して改善するプロセスが楽しいと感じました。例えば、レーザーを使って原子の分光を行ったり、光学系を調整したりする作業が面白かったですね。自分の手でいろいろなことができるというのは大きな魅力でした。

量子力学には説明が難しい重ね合わせなどの概念もありますが、一方で実験結果が理論通りに出ると非常に気持ちが良く、物理の痛快さを感じる瞬間があるんです。研究の楽しさは、疑問を持ったときに筋道を立てて解決し、実際にその結果を確かめるプロセスにあります。

こうした体験から量子技術への興味が自然と深まり、就職を考える際には「量子技術やレーザー技術を使って社会に貢献したい」と思うようになりました。そこで、NECに入社することを決意しました。

――NECの社員として産総研で研究する中で、どのような成果や経験がありましたか？

最近、パラメトリック励振された状態での分光実験に注目した論文を出版しました。この研究が進んだのは、産総研での研究環境があったからだと思います。産総研には、量子パラメトロンの理論を深く研究している方がいらっしゃり、定期的な勉強会や日常的なコミュニケーションを通じて意見交換ができる環境があります。

例えば、私がある実験を行った結果について理論研究者と話し合うと「それは面白いですね。でも、こういう視点も考えられます」といった形で新しいアイデアや計算を提供してくれます。こうした議論を通じて、最終的に論文がまとまりました。

反対に、理論研究者からデバイスに関する相談を受けることもあります。意見交換が盛り上がることで、理論と実験の連携が深まり、新しい発見につながっています。このように、産総研ではさまざまな研究者と気軽に議論できる環境が整っているので、非常にありがたいと感じています。

量子アニーリングマシンの大規模化への挑戦

――研究で目指す短期的なゴールと、それが今後どのように発展していくかについて教えてください。

現在、私たちは8量子ビットの量子アニーリングマシンを東北大学向けに公開し、外部からも利用していただいています。このマシンの性能向上が直近の目標です。基本ユニットセルの精度向上を図り、将来的には100ビットを超える大規模なデバイスの開発を目指しています。

また、大規模化には、複数のユニットを接続し、かつ、コヒーレンス時間を損なわずに配線する方法を考える必要があるため、これを実現する3次元立体配線技術も開発しました。今後も高精度で実用的な量子アニーリングマシンの実現に向け、研究を加速していく考えです。

広範で複雑な組合せ最適化問題を解くためには、大規模化だけでなく、量子のふるまいを従来のコンピュータで模擬した疑似量子アニーリング技術とのハイブリッド化も重要です。NECは疑似量子アニーリング技術を活用したサービスを提供し、社会問題の解決に取り組んでいます。疑似量子技術との連携を強化し、より良いサービスを提供することも、今後の重要な方向性だと考えています。

3次元実装技術は、量子アニーリングマシンだけでなく、超伝導ゲート型量子コンピュータとも共通する部分があります。ソフトウェアに目を向ければ、問題を埋め込む難しさなど、他のアニーリングマシンとも共通の課題があります。これらの共通点を活かし、さまざまな分野の専門家とコラボレーションすることで、より良い解決策を見つけていきたいですね。

――実現していきたい世界観や社会像を教えてください。

私が目指しているのは、量子コンピュータや量子アニーリングマシンが社会に広く浸透し、その価値を提供する未来です。これらの技術は、現在の想像を超えた新しい可能性を秘めています。

例えば、電話がまだ存在しなかった時代には「電話があったらいいな」と思う人がいる一方で、「それが何の役に立つのか」と疑問に思う人も多かったかもしれません。同様に、量子コンピュータや量子アニーリングマシンも、実際に使われるようにならなければ、その価値は広く理解されないでしょう。

将来的に、現在の想像とは異なる形の量子コンピュータや量子アニーリングマシンが誕生するかもしれませんが、私たちの開発している技術が新しい可能性を生み出し、より豊かな社会を支える基盤となることを願っています。それが実現できれば、とてもうれしく思います。