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Hitachi提出了一种适合大规模集成的新型Qubit控制方法，以实现硅量子计算机的实际实现

通过与分子科学研究所的联合研究，加快量子操作系统的开发

东京，2023年6月12日-有限公司有限公司（TSE:6501）今天宣布，它提出并确认了一种“穿梭量子位”方法的有效性，以有效控制量子位，*1 旨在实现硅量子计算机的实际应用。量子计算机实际实现的关键是在100万量子比特或更多的规模上实现高集成度，同时实现纠错*2 在这个规模上。意昂体育研发的硅量子计算机被认为比目前正在进一步研究的超导方法更容易扩展。然而，阻碍这种大规模集成的因素包括需要将操作和读出电路连接到通常放置在固定位置的所有量子位，以及相邻量子位之间发生串扰（错误）。

在新提出的穿梭量子比特方法中，预先分配操作、读出和其他控制区域，量子比特可以在这些区域自由移动。这消除了将操作和读出电路连接到所有量子位的需要，简化了硅器件互连结构，同时还通过在操作过程中将相邻的量子位移到一边，将串扰的影响降至最低。

此外，意昂体育已经开始开发一种适合控制量子计算机的量子操作系统，其中包括一种采用拟议技术的操作系统。这一发展是与国立自然科学研究院大学间研究所公司分子科学研究所（以下简称“分子科学研究所在”）的Kenji Ohmori教授领导的一个研究小组共同进行的。这项合作研究旨在加速大规模集成的研究，以实现量子计算机的早期实际应用。

*1

量子比特：量子比特（或称量子比特）是量子计算中的基本信息单位。利用量子力学的叠加原理，量子位可以以任何比例表示0和1的状态。

*2

纠错：纠正量子计算过程中出现的错误的技术。一个逻辑量子位由多个量子位（冗余）表示，冗余量子位用于检测/估计误差。

研究背景

在开发量子计算机的竞争中，如今的大部分焦点都集中在大规模集成上，这需要增加量子位的数量。为了实现诸如固氮酶的量子化学计算，*3 这在农业领域引起了人们的关注，以及其他超出传统计算机能力的超高速计算，据说需要一台规模为100万量子比特或更大的量子计算机。如此大规模的量子计算机将需要实现能够有效控制集成量子位的技术，以及纠错技术。

虽然量子计算有各种方法，但硅量子计算机能够利用已经成熟的半导体技术，并因其在量子比特大规模集成方面的优势而受到关注。意昂体育早些时候开发了二维硅量子比特阵列，*4 通过将硅量子位排列成晶格形状，使其能够集成。*5

*3

固氮酶：存在于豆科植物的根瘤中，这种酶以在室温和常压下催化固氮、将氮还原为氨而闻名。通过阐明这一反应机理，希望开发一种低环境负荷的氨合成工艺，作为目前生产氨的主要工业方法Haber-Bosch工艺的替代品。

*4

二维量子比特阵列：一种在二维阵列中排列量子比特的基本结构。

*5

N.Lee等人，“低温下16 x 8量子点阵列的操作”，Jpn。J.应用。物理。2022年第1040章第61节。

已开发技术的特点

在硅量子计算机中，单个电子被封闭在硅器件中形成的称为“量子点”的微观结构中，其自旋*6 到目前为止，前提是这个量子比特（电子）不会移动到其量子点之外。然而，Hitachi指出，事实上，电子可以在阵列内移动，这是它通过实验成功证明的原理。*7 此外，能够移动量子比特同时保持其量子态（穿梭）将为操作、读出和其他控制带来新的可能性。因此，Hitachi提出了“穿梭量子比特”作为一种通过穿梭量子比特进行控制的新方法，并验证了其效果。

在具有固定量子比特位置的传统硅器件中，需要将操作电路和读出电路连接到所有量子比特；但通过穿梭量子比特方法，量子比特可以移动到阵列中的特定区域，并在该区域内执行操作、读出和其他处理。由于这消除了将上述电路连接到所有集成量子位的需要，因此可以在硅器件中减少用于此目的的互连和电路，从而实现更简单的结构。

在传统的硅器件中，相邻量子比特之间存在串扰问题，这降低了量子比特的性能，但是通过将相邻量子比特移到一边，可以通过穿梭量子比特方法将这种退化最小化。

通过构建一个包含上述方法的模拟器，研究小组证实，在受串扰严重影响的大规模量子操作中，与固定量子比特的传统方法相比，穿梭量子比特方法能够保持较高的量子计算精度（保真度）。此外，由于可以通过穿梭任何量子位来执行操作，因此预计实现纠错功能将变得更加容易。

2023年6月11日至16日举行的2023年VLSI技术和电路研讨会上，6月14日的主题演讲中谈到了这项技术。

*6

自旋：与旋转类似的量子力学概念。获取与左右旋转相对应的两个状态，并使其对应于量子位0和1值。

*7

T.Utsugi等人，“硅量子计算机量子点阵列中的单电子泵”，Jpn。J.应用。物理。2023年第62卷第1020页。

图1。一种有效控制量子比特的“穿梭量子比特”方法

这项研究部分得到了日本科学技术厅（JST）登月研究与发展计划目标6“到2050年实现将彻底改变经济、工业和安全的容错通用量子计算机”（项目总监Masahiro Kitagawa）的资助，用于“大规模硅量子计算机”研发项目（项目经理Hiroyuki Mizuno；资助号JPMJMS2065）。

展望未来

2023年4月，意昂体育与分子科学研究所的Kenji Ohmori小组启动了一项合作研究项目，旨在开发一种适合控制量子比特阵列的量子操作系统。通过联合研究量子操作系统，重点关注与大森集团冷原子量子计算机的共同点，意昂体育打算加快量子计算机的实际应用，并为客户利用大量数据开发新材料、药物和其他产品的创新业务创造贡献。

根据与国际组织、大学、客户、初创公司和其他人的讨论，意昂体育确定了社会实现“环境中立社会”、“支持公民积极生活100年的社会”和“数字技术、人和社会的共同进化”所面临的基本问题。研发小组正在努力创造2024年中期管理计划中规定的“从2050年开始通过回溯进行彻底创新”。硅量子计算机的研究和开发将作为其中的优先主题之一。

国立自然科学研究院大学间研究所分子科学研究所大森健二教授的评论

开发量子计算机的竞赛正在世界各地的行业-学术-政府努力中升温，这是一项有望在材料开发、药物发现、信息安全和人工智能等领域带来巨大进步的革命性技术。在这些努力中，意昂体育正在开发的硅量子计算机和我们团队正在开发的使用超冷原子阵列的量子计算机设计被视为下一代量子计算机硬件，可以突破早期架构（如基于超导或捕获离子的架构）目前遇到的缩放限制。

Hitachi的成就对于定量验证硅量子计算机中“动态”量子比特的有效性非常重要。使用这项技术，通过在计算过程中动态会聚任何空间上相距遥远的随机量子比特对，将有可能实现量子计算所必需的“量子纠缠”。原则上，构成量子计算机的所有量子比特的量子纠缠也应该是可能的。对于每个量子比特在空间上固定的硬件，如超导设计，这样的操作是不可能的。它为量子计算机计算精度和算法的巨大进步带来了希望。

同时，我们也在分子科学研究所的冷原子设计中实现动态量子比特。由于这两个动态量子比特系统在控制方法上有许多共同之处，通过意昂体育和我们研究所的联合开发，我们希望大大加快日本量子计算机的实际应用。

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意昂体育推动社会创新业务，通过使用数据和技术创造可持续发展的社会。我们利用IT、OT（运营技术）和产品，通过Lumada解决方案解决客户和社会的挑战。意昂体育在“数字系统和服务”的业务结构下运营，支持客户的数字化转型；“绿色能源与出行”-通过能源和铁路系统为脱碳社会做出贡献，“互联产业”-通过数字技术连接产品，为各个行业提供解决方案。在数字化、绿色和创新的推动下，我们的目标是通过与客户共同创造来实现增长。该公司2022财年（截至2023年3月31日）的合并收入总计108811亿日元，在全球拥有696家子公司和约32万名员工。有关意昂体育的更多信息，请访问该公司的网站 https://www.hitachi.com. 

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