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《日本产业技术综合研究所（AIST）等机构研究人员共同提出了能够控制多个量子比特的超导电路，并成功验证了电路工作原理》

  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2024-07-06


  • 近日，日本产业技术综合研究所（AIST）量子AI融合技术商务开发全球研究中心竹内尚辉主任研究员，为了加速大规模超导量子计算机的开发，与国立大学法人横滨国立大学吉川信行教授、山荣大树特任教员（研究当时）、国立大学法人东北大学山下太郎教授、日本电气株式会社山本刚主席研究员共同提出了能够控制多个量子比特的超导电路，并成功验证了电路工作原理。

    为了实现实用的量子计算机，需要控制在极低温下运行的大量量子比特的状态，据说所需的量子比特数为100万个。现有的量子计算机将室温下产生的每一个微波信号用不同的电缆传输到极低温下的量子比特。这需要连接室温和极低温的大量电缆，因此可控制的最大量子比特数限制在1000个左右。

    这次，通过多路复用微波，提出了一条电缆可以控制多个量子比特的超导电路，在液氦中（绝对温度4.2K）成功验证了其原理。如果这个技术被实用化，由于能提高到以前的1000倍左右微波的传输路径的密度，能飞跃性地增加在极低温下能控制的量子比特数。这将加速大规模量子计算机的开发。

    该研究成果将于2024年6月3日（伦敦时间）在《NPL Quantum Information》期刊上发表（DOI：10.1038/s41534-024-00849-2）。


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  • 《日本产业技术综合研究所（AIST）与东京理科大学的研究人员联合开发了一种利用光子吸收进行量子电路冷却的快速评估技术》
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-02-11
    • 近日，日本产业技术综合研究所（AIST）物理测量标准研究部的Shuji Nakamura博士研究小组、与东京理科大学的教授Tsai Zhaishen和在读研究生Teruaki Yoshioka等人共同开发了一种利用光子吸收进行量子电路冷却的快速评估技术。 该技术利用超导量子比特被激发时的频率变化来快速评估量子电路中的能量损失，并通过探测超导和常导结吸收光子后量子电路中剩余的不到一个光子的能量，来为实现更快、更高保真度的量子比特初始化设备的开发和研究做出贡献。 在通过微纳加工技术制造的微米级电路中，在极低的温度下会出现量子力学现象。利用这些现象，可以实现传统技术无法达到的计算能力和测量灵敏度，正因为如此，量子技术的发展才引起全世界的广泛关注。近年来，已经证实了在这样的量子电路中，超导体和正常导体连接的元件（超导-常导结）具有吸收此类量子电路中残余光子的能力，这种元器件被称为量子电路冷却器（QCR），相关研究正在推进。例如，当QCR通过用于困住光子的共振器与超导量子比特连接时，这种元器件可以从量子比特中获取能量并高速初始化量子比特。在目前正积极开发的包含量子纠错的量子计算机中，需要反复初始化量子比特，因此实现高速且高保真度的量子比特初始化技术备受期待。虽然量子电路冷却是一种有望实现量子比特如此快速初始化的手段，但迄今为止，研究人员始终无法准确检测出在共振器被QCR吸收能量后，共振器中究竟还剩下多少能量（光子）。这是因为用于量子电路冷却研究的能量测量不可避免地受到比光子吸收量大数十倍的测量电路中放大器噪声的影响。由于共振器中剩余的能量是导致量子比特故障的一个因素，因此急需一种能够快速、高灵敏度地测量冷却后共振器中残留能量的技术。 超导体和正常导体之间接合的元件可以通过光子吸收对放置在极低温环境中的电路进行电气冷却。近年来，已经开发出了一种利用这种光子吸收快速初始化超导量子比特的技术，有望帮助改善超导量子计算机中遇到的问题。然而，迄今为止，还无法高精度地测量光子吸收后量子电路中剩余的具体光子数量。 在这项研究中，通过测量光子吸收后超导量子比特激发频率的变化，使研究人员能够快速且高精度地检测到冷却后残留在电路中的少于一个光子的微小能量。结果表明，这种量子电路冷却技术即使在光子数小于1晶粒的量子区域的电路中也是有效的。这项研究将有助于精确评估利用光子吸收的量子电路冷却技术的冷却能力，并推动最佳量子电路冷却装置的开发。此外，研究人员未来将利用这种量子电路冷却技术进行更快速、更高保真度的量子比特初始化技术的研究，并改进量子比特状态泄漏等问题。 在该项目中，研究人员专注于当超导和常导结吸收来自谐振器的光子时，超导量子比特的激发频率发生变化的现象，并通过在光子吸收后对量子比特进行光谱测量，从而得到了共振器中残留的光子数。这项研究和开发得到了日本学术振兴会（JSPS）科学研究项目20KK0335和20H02561的资金支持。 未来，AIST计划利用这一测量技术，来开发和评估旨在更快、更高保真度地初始化超导量子比特的设备。此外，研究不仅限于超导量子比特和共振器，还将展示在磁性材料等特殊材料实现的量子电路中量子电路冷却的有效性，通过抑制热量和外部环境的影响，来进一步促进量子技术的社会应用研究。 该技术的详细信息已于2025年1月10日发表在《Physical Review Applied》期刊中。（DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.L011003）
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  • 《日本产业技术综合研究所（AIST）2024年新年问候》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-01-24
    • 新年快乐。今年也请多多关照。 感谢您平时对日本产业技术综合研究所（产总研）的活动的理解和协助。 2023年，以ChatGPT为代表的生成AI在世界上一下子蔓延开来，是世界为生成AI沸腾的一年。但是，在普及的同时，其风险也变得明显了。在国际性的规则整备之外又加上，透明性高放心能利用的AI技术的开发被期待。同时，对量子技术的关注也持续聚集着。为了尽快将隐藏着更新数字社会可能性的量子计算机实用化，全世界的开发竞争正在激化。围绕半导体的状况也在AI的急速普及和经济安全保障形势的背景下发生了很大的变化。不仅是海外企业的国内引进，下一代半导体的国产化的挑战也开始了。 产综研将这些Al、量子、半导体定位为基于国家战略的主要重点课题，通过设立新据点和与主要机构合作强化体制推进研究开发。2023年7月设立了“量子·AI融合技术商务开发全球研究中心（G-QuAT）”，10月设立了“尖端半导体研究中心”。2024年，产总研拥有的日本最大的AI学习用计算基础设施“ABCI”也将大幅扩张。另外，不仅仅是AI技术本身的高度化，还将其应用于所内其他领域的研究，推进飞跃性地提高效率的项目。今后，将进一步强化发挥综合研究所的优势的先驱性研究，以满足社会的期待。 研究成果的社会实施也迎来了新的局面。我们2023年成立了新法人“AIST Solutions股份有限公司”。强化了产综研的社会实施功能的AIST Solutions，现在在六个事业领域，推进着社会课题起点的事业构想和与企业的共同研究。2024年，在推进合作的大型化的同时，制作事业也将具体展开。其中，“ABCI”和用于掌握温室气体排放量的库存数据库“IDEA”等，将产综研拥有的优秀基础设施与AIST Solutions的营销力相结合，为创造新的商业价值做出贡献。同时，创立组织性地支援能期待大的增长的企业的认定制度「AISol启动」，开始对数家公司的支援。2024年也将致力于创造新的事业。 我们将构筑在日本不断产生创新的结构“国家创新体系”，2030年度以后自己成为核心作为将来的形象。创新的关键是多样性。而且，不仅要聚集各种各样的人才，还要充分考虑到公平性、包容性，多样性才能发挥其真正的价值。因此，今天将以前的人事部改组为“DEI人事部”。在这里，全研究领域的硕士型和女性研究职的采用，综合职等的经验者采用，并且工程专业人才的获得，到现在为止的产总研安排薄的层的扩充确保DEI。同时，也致力于每个人的表演的最大化。 产总研今年将迎来第5期的最后一年。今后，我们将使至今为止进行的各种各样的改革开花结果，实现构建国家创新生态系统原型的目标，进而朝着解决作为我们任务的社会课题和强化产业竞争力的方向前进。为了让今年成为产总研进一步成长的一年，全体职员都将竭尽全力。 最后，在祝愿大家身体健康、幸福的同时，衷心希望今年也能为产总研的活动提供支援和协助。
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