日本信息通信研究机构（NICT） 2023年3月24日官网发布消息称，首台日本产超导量子计算机对外公开，并推出了“量子计算云服务”。以日本理化学研究所为首的联合研究小组于2023年3月27日在云端开放量子计算机，供外部研究人员使用。该研究成果将有助于扩大日本量子计算平台的应用。
日本首台国产量子计算机启动云端使用
编译：学术plus高级观察员乔
本文主要内容及关键词
1. 简介：首台日本产超导量子计算机启动云端使用；
2. 计划：探索发展百万量子比特级的集成技术。
内容主要整理自外文网站相关资料
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机构介绍
日本信息通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology；缩写：NICT），是隶属于日本总务省的国立研究开发法人，总部位于日本东京都小金井市，下设电磁波研究所、网络研究所、网络安全研究所、未来ICT研究所、量子ICT协创中心等。
日本NICT的logo
01
背景
量子计算机，指根据量子物理原理进行计算的计算机。通过使用传统计算机（经典计算机）所没有的量子叠加和量子纠缠，可以高速解决分子中的电子态等量子行为的有效模拟和质因数分解等各种问题。超导方式是一种量子计算方式，在使用超导材料的电子电路上使用称为约瑟夫森结的隧道结元件来实现量子比特。为了将量子力学的基本原理应用于计算、通信、测量等信息科学和信息处理技术，世界各国正在研究处理量子信息的技术。日本理化学研究所于 2021 年成立量子计算机研究中心，推动从事量子计算的量子计算机的研发。
此次，联合研究小组研制出日本首台采用超导方式的日本产量子计算机，迈出了利用量子计算机搭建量子计算平台的一步；联合研究小组还启动了外部通过互联网可以使用该计算机的云服务。目前，用户可以通过与日本理化学研究所的联合研究协议办理使用手续。
联合研究小组包括日本理化学研究所量子计算机研究中心主任中村泰信，产业技术综合研究所3D集成系统组研究组长菊地克弥，信息通信研究机构超导 ICT 研究室室长寺井弘高，大阪大学量子信息及量子生命研究中心主任北川胜浩、副主任藤井启佑，富士通株式会社量子研究所所长佐藤信太郎，日本电信电话株式会社计算机与数据科学研究所研究员德永裕己等。
此次的“量子计算云服务”，是通过日本的研究机构（包括大学在内）与企业的合作实现的。NICT称，该服务不仅有望在研发阶段培养参与日本量子信息研究的人力资源，而且还将促进发展以信息技术领域为基干的日本产业。
图1 日本理化学研究所开发的超导量子计算机
量子力学自 20 世纪初诞生以来，作为物理学的基础理论，对广泛的科学领域的发展做出了贡献。特别是量子叠加、量子纠缠（量子叠加指多个状态同时存在的状态，与人们日常的尺度感相冲突。量子纠缠是指与量子叠加结合发生的量子物理学特有的相关性。）等独特现象，是现代科学技术发展不可或缺的要素。但从20世纪末以来迅速发展的量子信息科学的观点来看，人类还没有完全掌握量子力学。因此，全球正在进行研发，以期将量子力学的基本原理应用于计算、通信和测量等技术领域，提取传统技术所不具备的先进性能。
日本理化学研究所于2001年成立了宏观量子相干研究组，开始了与量子信息科学相关的研究。之后，吸纳各方研究人员参与研发，并于2021年发展成为中村泰信博士为首的量子计算机研究中心。在该中心，除了超导量子计算机之外，还在量子计算机领域进行广泛的研发，例如基于各种物理系统的硬件研究，以及量子计算理论、量子算法、量子架构等软件研究。2021 年，该中心与富士通株式会社合作，在该中心内建立了“理研RQC-富士通合作中心”，以整合双方拥有的计算技术和量子技术知识，力争在2023财年推出面向工业应用的超导量子计算机。
02
研究方法与成果
此次发布的超导量子计算机采用64量子比特（量子比特是量子计算中的基本信息单位。）集成电路，其中排列了64个量子比特。该装置有两个特点：“二维集成电路”和“垂直布线封装”。这是一种具有较高可扩展性的系统配置，可以方便地增加量子比特数，从而使得在今后如果大规模化时，也可以在不改变基本设计的情况下完成。
此项研究得到了日本文部科学省的“光学和量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP)”的“超导量子计算机的研究与开发”、“基于智能量子设计的量子软件研发与应用”，以及日本科学技术振兴机构（JST）的“中村宏观量子机械项目”，“共同创造空间支持计划（COI-NEXT）”的“量子软件研究基地”的支持。
如图所示，在二维集成电路上，正方形排列的4个量子比特分别通过连接相邻量子比特的“量子比特间耦合”进行连接（图2右上）。正方形中还配置了“读取谐振器”等。通过将这4个量子比特构成的基本单元排列成二维，可以制作量子比特集成电路。此次的64量子比特集成电路由16个功能单位构成，如图2所示。
图2 64量子比特集成电路芯片
（左）进行量子计算的64量子比特二维集成电路芯片。
设计为排列16个由4个量子比特构成的基本单元。作为超导体的氮化钛膜闪耀金色。
（右上）由4个量子比特构成的基本单元的示意图。
（右下）构成量子比特的约瑟夫森结部分的电子显微镜照片。
此外，对用于各个量子比特的控制和读取的布线，也需要下功夫处理。此次采用了垂直布线封装方式，将配置在二维平面上的量子比特的布线与芯片垂直结合，还开发了可统一连接量子比特集成电路芯片布线的布线封装，如图3所示。
图3 垂直布线封装
（左）垂直布线的概念图。用于量子比特的控制和读取的布线，通过信号接触探针垂直于芯片进行连接，进行微波信号的收发。
（右）安装有量子比特集成电路芯片的布线封装。
用于控制量子比特的信号，使用以微波频率（8～9GHz）振荡的电压脉冲，如图4所示。但是，由于每个量子比特都需要不同频率的微波，所以联合研究小组开发了一种控制装置，能够生成高精度、相位稳定的微波脉冲，还开发了使用该装置来控制量子比特的软件。
图4 量子比特控制装置
由微波信号的振荡器和接收机构成的量子比特控制装置。在此次的64量子比特量子计算机中，为了控制和读取，使用96条输入布线、16条输出布线进行量子计算。
日本理化学研究所提供的“量子计算云服务”，使这台超导量子计算机可以在任何地方应用，如图5所示。只要是以促进和发展量子计算等研发为目的的非商业使用，任何研究人员或技术人员都可以申请。但目前，须通过与理化学研究所的联合研究合同来办理使用手续。用户连接到该研究所外部的云服务器，可以向超导量子计算机发送作业并接收计算结果。
图5 用户接入超导量子计算机的概念图（登陆用户在 Web 界面上进行认证，并发送和接收作业。）
联合研究小组正在进行进一步的系统开发，例如增加稀释制冷机中的布线（如图6）密度，以实现具有更多量子比特的量子计算操作。此外，该小组在提供超导量子计算机作为NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum computers，含噪声的中型量子。不能纠正由噪声引起的计算错误的中小型量子计算机的总称。）应用平台的试验床的同时，也将根据用户需求进行必要的研发。NICT称，通过此次量子计算云服务的发布，将深化与量子软件开发人员、量子计算研究人员、企业开发人员的合作，从而进一步加速量子计算机的研发。
图6 64量子比特超导量子计算机用稀释冷冻机内的配线
在中央的圆筒型磁屏蔽内放入64量子比特集成电路芯片，连接控制布线、读取布线。在操作时，芯片周边需要冷却到约10mK（约-273℃），因此须将其收纳在真空绝热容器的内部，用稀释冷冻机进行冷却。
03
未来规划
NICT称，量子计算机的发展在过去 20多年里取得了进步，但如果要像使用半导体集成电路的传统计算机那样在任何地方都可自由使用，还需要很长的开发周期。将来计划使用具备高可扩展性的集成电路（如图 7）作为主要技术，实现 100 量子比特和 1,000 量子比特等。此外，还将探索发展百万量子比特级的集成技术，实现纠错和容错的量子计算，以期在未来实现大规模量子计算机并在社会上投入实用。
图 7 未来量子比特集成电路图
通过在平面上周期性地排列由4个量子比特组成的基本单元，可以增加集成化的量子比特的数量。上图是将64个量子比特排列成4x4形成1024个量子位的预想图。
（注：纠错和容错量子计算，其概念如下。传统计算机也会出错，但它们有能力在计算过程中纠正错误。在量子计算机的情况下，量子计算可以在纠错的同时进行。通过在多个量子比特之间产生量子纠缠态来表达一个量子比特的信息，并且通过检测纠缠的量子比特之间的扰动，在不破坏量子信息的情况下进行纠错。容错量子计算是一种量子计算，它降低了整个量子计算机在控制和读取量子比特时出错的概率，在不累积计算过程中出现的错误的情况下，在纠错同时进行大规模计算。）
据日媒报道，文部科学大臣永冈桂子就此事在记者会上表示：“通过使用国产机，有望培养和发展广泛的核心技术；将成为迈向未来实用化的一大步。”
参考链接：https://www.nict.go.jp/publicity/topics/2023/03/24-1.html
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