量子コンピューターの高速化に寄与する可変結合器の新構造を考案――2量子ビットゲート操作を両立東芝

超伝導量子コンピューターの概念図

東芝は2022年9月16日、超伝導量子コンピューターで量子計算の際に用いられるデバイス「可変結合器」の新構造として「ダブルトランズモンカプラ」を考案したと発表した。可変結合器は量子計算を行う2つの量子ビットをつなぐために用いられ、新構造を用いれば超伝導量子コンピューターの高速化と精度向上に寄与できるとしている。

ダブルトランズモンカプラは、周波数が大きく異なる量子ビット間の結合を完全に「オン」「オフ」できるのが特長。完全にオンにすることで強い結合による高速な量子計算を実行でき、一方で完全にオフにすることで残留結合によるエラーを低減できるため、量子計算の速度と精度の向上に貢献する。

ダブルトランズモンカプラは2つの「周波数固定トランズモン量子ビット」で構成。両側に計算用の周波数固定トランズモン量子ビットがあり、中央のカプラとキャパシタを介して結合している。回路には2つのトランズモンのジョセフソン接合を含むループがあり、ループ内の磁束Φ_exを外部磁場で調整することで、両側の量子ビット間の結合強度を厳密にゼロにし、結合を完全に「オフ」にする。

ダブルトランズモンカプラにおける結合強度の磁束依存性

同社でシミュレーションした結果、量子計算の基本操作である2量子ビットゲートを24nsという短い時間で処理し、99.99%という高い精度を実現した。量子ビットには通常、安定性が高く設計がしやすい周波数固定トランズモン量子ビットが用いられるが、周波数が大きく異なる周波数固定トランズモン量子ビット間の結合を完全に「オン」「オフ」し、高速で高精度な2量子ビットゲートを実現する特性を確認したのは世界で初めてとなる。

これまでの「トランズモン量子ビット」では、周波数の近い2つの量子ビットについては結合をオフにできたが、一方の量子ビットに照射した操作用電磁波が他方に伝わって生じるエラー（クロストークエラー）が発生しやすかった。２つの量子ビットの周波数が大きく異なれば、クロストークエラーを抑制できるが、結合を完全にオフにできないため残留結合によるエラーが発生してしまい、こうした特性が課題として残っていた。

ダブルトランズモンカプラは高性能な量子コンピューター実現に寄与することが期待できるとして、東芝は今年度中にも試作と実証実験を開始。計算速度と精度の両面で世界最高レベルの性能の量子コンピューターの実現を目指す。

今回の成果は2022年9月15日、米国物理学会の学術論文誌「Physical Review Applied」に掲載された。

量子コンピューターの高速化に寄与する可変結合器の新構造を考案――2量子ビットゲート操作を両立　東芝