NEC成功开发全球首个可扩展到全连接量子退火架构的基本单元

NEC公司采用可进行高精度计算的超导参数(注2),开发出全球首个基于LHZ方案的可扩展到全连接量子退火架构的基本单元,并成功地进行了量子退火操作。这一成果使NEC公司在量子退火机(量子计算机的一种)(注1)的实现方面取得了进一步的进展。

图1：实证成功的基本单元图片（左）和扩展后的示意图（右）

为了解决复杂的社会课题，从庞大的选择中导出最佳组合的组合优化至关重要。NEC于1999年开发了用于门型量子计算机的超导量子比特，并运用该技术及可高速、高效地解决组合优化问题的超导参数，进行量子退火机的研发。

此次，NEC利用独特的超导参数和电路耦合技术，开发出基于LHZ方案（注3）的基本单元，世界上首次通过量子退火成功解决了小规模组合优化的问题。另外，NEC还开发了一种三维架构技术，将平铺排列的各单元与外部设备有效地连接起来，此架构中的超导参数的操作也在世界上首次得到了验证。

图2: 三维结构的概要图

将开发的基本单元以平铺模式排列，可在保持超导参数的高精度计算特性的同时，使多量子比特连接成为可能，从而使得可快速解决大规模复杂组合优化问题的量子退火机的实现又向前迈进了一步。

受国立研究开发法人新能源·产业技术综合开发机构（NEDO）的委托（注4），NEC致力于开发使用超导参数元件的量子退火机。NEC目前正在进行全耦合状态的超导参数集成度提升等的研发，以期在2023年之前实现量子退火机。NEC将以此次成果为契机，进一步加速量子计算机的开发。

（注1） 量子退火机：

利用量子力学定律探索成本函数的最小能量状态的计算机。最小能量状态相当于组合优化问题的解法。在能量逐渐下降的同时摸索最小能量状态的方式类似于金属的退火处理，所以被称为量子退火机。由于在量子退火中寻找优化组合的试行次数会根据量子叠加的原理而巨增，所以较之其他的解法，能够以压倒性的速度解决组合优化问题。作为计算最小单位的量子比特，随着其数量的增加且量子比特之间的耦合接近总耦合，可以解决更大规模且复杂的组合优化问题。

（注2） 超导参量：

由约瑟夫森结和电容器构成的超导谐振电路。通过以谐振频率的约2倍的频率调制电路，以0或π的相位振荡。这些相位的不同振荡状态的叠加可以作为量子比特使用。与磁通量子比特相比，由于量子比特的寿命（决定能够进行高速运算的时间上限）相当长，所以预计在一定时间内可以提高计算精度。

（注3） LHZ方式：

LHZ是3位提出者Lechener、Hauke、Zoller的首字母组成的缩写。随着比特数增加，在硬件上难以将每个量子比特直接连接到其他的量子比特，为解决这个问题，上述3位与Parity Quantum Computing公司提出一种转换方法，使得仅通过邻近的量子比特之间的耦合就可以处理总耦合的问题。这使得仅需平铺排列由四个量子比特和中央耦合电路构成的基本单元就可以简单实现多比特连接。

Parity Quantum Computing公司URL：https://parityqc.com/

（注4）事业名称：可高效高速处理的AI芯片·下一代计算的技术开发事业

URL：https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100123.html