在量子電腦的開發競爭舞臺上，「第3種方式」正在迅速浮出水面。那就是被稱為「冷原子型」的技術，採用冷卻至極低溫度的原子。與其他方式不同，日本的研發團隊走在世界的前列。這種方式在日本政府研發計劃中的比重近年來提升，或將成為日本推進量子電腦實用化的開發戰略的關鍵。

 

       自主技術受到世界關注

 

       在位於愛知縣岡崎市的自然科學研究機構分子科學研究所，教授大森賢治的研究室裏，實驗裝置的顯示器上規則地縱橫排列的顆粒閃閃發光。顯示出冷卻至極低溫度、已停止運動的一個個金屬原子（銣）在真空容器當中浮游的情形。

 

 

       冷原子量子電腦把像這樣排列的一個個原子用作處理量子計算的「量子位」。研發團隊利用這個實驗裝置實現了400個量子位，大幅超過現有量子電腦上實現的量子位數量。大森賢治教授表示，「到1～2年後將輕鬆增至1000個量子位。從原理上講可增至1萬個量子位」。

 

       美國哈佛大學等展開激烈競爭

 

      把冷卻原子用作量子位的創意此前就存在，2016年美國和法國的研發團隊相繼在利用名為「光鑷」的雷射技術在真空中隨意移動原子、放在任意位置方面取得成功。打造實用性的量子電腦的前景已經出現。自那以來，美國的哈佛大學、ColdQuanta和法國Pascal公司等為推進實用化而展開激烈競爭。

 

冷原子量子電腦的實驗裝置和大森賢治教授（右）等研究成員

  

      在此背景下，大森賢治教授的團隊採用了以極短時間進行脈衝發光的超高速雷射操控冷卻原子的自主技術，受到全球的關注。在量子位的整合規模上，也領先於存在競爭關係的研發團隊。8月9日大森團隊宣佈，成功實現超高速「量子位門」（量子計算的運算元素）。

 

      超高速量子位門

 

      此次取得成功的是，在2個量子位之間産生和執行「量子糾纏」這一現象的雙量子位門之中、被稱為「受控Z門」的代表性量子位門。向利用光鑷排列為微米間隔的冷卻銣原子照射超高速雷射，以6.5納秒這一極短時間使之産生運動。在雙量子位門的工作速度方面，大幅超過了美國谷歌2020年實現的15納秒。

 

 

      操控冷卻原子時雷射照射等導致的噪聲成為問題，大森團隊實現的工作速度比噪聲的時間尺度快了2位數以上，據大森賢治表示「能夠基本上忽視噪聲的影響」。抑制噪聲導致的計算錯誤的技術明顯取得進展。

 

      「超導」和「離子阱」進入商用機階段

 

      量子電腦中目前接近實用的是「超導型」和「離子阱（Ion trap）型」這兩種。超導型利用冷卻至超低溫、使電阻降為零的電子電路的晶片實現量子位。美國IBM此前開發了127個量子位的商用超導量子電腦。計劃2022年內推出433量子位的電腦，到2023年推出超過1000量子位的電腦。

 

 

      另一方面，離子阱型則利用借助磁場使之漂浮在空中的離子（帶電原子）來形成量子位。美國的霍尼韋爾、IonQ和奧地利的AQT公司等推進研發，能用於雲服務的商用電腦已問世。

 

 

      在以浮游狀態形成量子位這一點上，離子阱型與冷原子型相似。其優點是，進行量子計算時的「量子疊加」狀態的持續時間與冷原子型同樣非常長。不過，相較於冷原子型，離子阱型被認為更難以大幅增加量子位數。

 

      日本或在全球開發競賽中成為黑馬

 

      在日本，理化學研究所計劃2022年度開發首台日本國産超導量子電腦，但被IBM等領先者遠遠甩在後面。離子阱型的研發在日本國內也顯得低迷。鑒於這種情況，日本政府似乎也在加強押注有可能在世界開發競賽中成為黑馬的冷原子型。

 

      在日本，量子相關的主要政府計劃有2018年度啟動的文部科學省的「光·量子飛躍旗艦計劃（Q-LEAP）」以及始於2020年度的內閣府「登月型研究開發制度」（Moonshot）」這兩個。其中，在Q-LEAP中，冷原子型的研究預算自2021年度起實質上得到增加，而在Moonshot中，本年度追加了冷原子型的計劃。

 

      在兩項計劃擔任負責人的大森賢治教授的研發團隊將加強與美國ColdQuanta的合作關係，加快旨在推進實用化的研究。大森賢治表示，「肯定要不斷增加量子位數量，此外還將致力於提高超高速雷射的精度和縮小設備尺寸，希望贏得實用化競賽」。

 

      日本經濟新聞（中文版：日經中文網）編輯委員 吉川和輝

  

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