キュエル株式会社の事業領域は、量子コンピュータの制御装置です。ここでは、量子コンピュータのハードウェア構成と、その中での制御装置の役割をご説明します。
量子コンピュータのハードウェア構成
量子コンピュータは、下図の通り、大きく分けると量子ビット、制御装置、量子ソフトウェアで構成されています。量子ビットと制御装置を合わせて、量子コンピュータのハードウェアと定義します。
量子ビットとは、0と1の2状態しか表現できない通常のビットとは違い、0と1の重ね合わせを許容できる素子です。後述の通り、量子ビットの物理的な実装は様々な方式があり、それぞれ研究開発が急速に進んでいます。
量子ビットをn個集積させることで2nのビット列を同時に表現して、並列計算することができます。量子ビット数の集積度が向上することで、同時に計算できるビット列の数は指数関数的に増加しますが、この性質を使って高速に解ける問題がいくつか知られています。例えば、因数分解や、量子化学計算・物性計算、機械学習などが挙げられます。
ユーザーが量子コンピュータを用いた計算をする際には、量子ソフトウェアを用いて量子ビット演算を構成します。
制御装置は、それら量子ビット演算に対応したパルス列の電磁波（量子ビットの種類によって違う周波数帯を利用）を生成し、各量子ビットに対してそれらを制御するためのマイクロ波を出力するとともに、量子ビットの状態をマイクロ波で読み出す役割を持ちます。
量子コンピュータの制御装置
量子ビットでの演算はノイズの影響を受けやすいため、制御装置から量子ビットに入出力するマイクロ波への要求スペックも大変に高いものであり、高性能な制御装置なしには量子コンピュータは成り立ちません。一方で、量子コンピュータの制御装置は、各研究機関や企業によってブラックボックス化されていることが多く、その構築は研究者にとって大きな負担となっています。
キュエル株式会社は、装置の校正や設定変更などにかかるユーザーの負担を激減させ、省スペースかつ拡張性に優れるため量子ビット数のスケールアップに容易に対応できる、といった特徴を持った制御装置「QuEL-1」を開発・製造・販売しています。キュエル株式会社は、量子コンピュータの制御装置の事業を通じて、量子コンピュータの研究開発を加速させることを目指しています。
量子ビットの方式
では、量子ビットとは何なのでしょうか。量子ビットの物理的な実装については、様々な方式の研究開発が競い合うように進められており、現時点では、どの方式が将来の主流となるのか予想できない状況です。以下に、主要なものを紹介します。
- 超伝導量子ビット：低温に冷却して、電気抵抗をゼロにした超伝導状態の電子回路を用いて量子ビットを実現します。ジョセフソン接合と呼ばれる２つの超伝導体を極めて薄い絶縁膜を介して接触させた構造にて、0と1の情報を表現します。
- イオントラップ：原子から電子を奪取してイオン化させた粒子を、電磁場によって空間中に静止させたものを、量子ビットとして用います。イオン上の1個の電子が特定の軌道のうちどちらにいるかなどで、0と1の情報を表現します。
- 半導体量子ドット：半導体で作られた微小な領域に閉じ込められた電子を、量子ビットとして用います。半導体中の電子スピンの状態によって、0と1の情報を表現します。
他にも、中性原子、光量子といった量子ビットの方式があり、世界中で開発が行われています。
超伝導量子コンピュータ
多様な量子ビットの方式の中でも、超伝導量子ビットを用いた超伝導量子コンピュータは、世界中の研究機関・大学・企業において、現状、最も盛んに開発が進められている方式です。
超伝導量子ビットの素子においては、量子ビットはマイクロ波共振器と結合された構造となっており、量子ビットはマイクロ波共振器を通じて、一般的には6-12GHz程度のマイクロ波によって制御されます。キュエル株式会社の製品「QuEL-1」は、超伝導量子ビットの制御を対象としています。
キュエル株式会社では、他の方式の量子ビットに対応した制御装置も、今後、開発していく予定です。