東芝は2022年9月16日、超電導量子コンピューターの高速化と精度向上を実現する新しい可変結合器を世界で初めて考案したと発表した。量子コンピューターの計算に使う「量子ビット」同士を結合する結合器の構造を工夫し、結合の完全な「オフ」と高速な2量子ビットゲート操作を両立した。今回の技術を応用すれば、短時間で高い精度のゲート操作が可能になり、計算速度と精度が世界最高レベルの量子コンピューターを実現できる見込みという。
東芝が考案した超電導量子ビット間可変結合器「ダブルトランズモンカプラ」の回路図
（出所：東芝）
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今回考案したのは「ダブルトランズモンカプラ」と呼ぶ可変結合器で、量子ビット間に配置して結合の「オン」「オフ」を切り替えることで、演算の実行と停止をスイッチングするもの。周波数の大きく異なる2つの量子ビット間でも、必要に応じて結合を完全に「オフ」にでき、エラーを低減できるのが特徴だ。これにより超電導方式のゲート型量子コンピューターにおいて、量子計算の計算速度と精度を高められる。
可変結合器を使った超電導量子コンピューターの概念図
（出所：東芝）
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東芝がこの構造をシミュレーションした結果、量子計算の基本操作である2量子ビットゲート操作を24ns（ナノ秒）という短い処理時間かつ、99.99％の高精度で実現できることを確認できた。2022年度中にダブルトランズモンカプラの試作と実証を始め、将来的に世界最高レベルの量子コンピューター開発を目指すという。
東芝研究開発センターナノ材料・フロンティア研究所フロンティアリサーチラボラトリーでフェローを務める後藤隼人氏は、「今はまだシミュレーション段階だが、実際にデバイスとして実現できるかを確認し、世界に展開していきたい」と語った。今回の研究では東芝が独自に考案したものの、必要であれば外部の研究機関や投資家との協力も検討するという。
従来の超電導量子コンピューターでは多くの場合、構造がシンプルで結合強度を調整できる「シングルトランズモンカプラ」を可変結合器として採用している。米Google（グーグル）が2019年に「量子超越性」を実証したときも、この可変結合器を採用していたとされる。しかし、2つの量子ビット間で周波数が大きく異なると結合を完全に「オフ」にできず、残留結合によってエラーが生じてしまうという課題があった。
「結合の完全なオフ」や「高速な2量子ビットゲート操作」「周波数が大きく異なる量子ビットへの適用」といった条件を同時に満たす可変結合器の開発は難しく、「この3つの条件を満たす可変結合器（ダブルトランズモンカプラ）を考案したのは東芝が初めて」（後藤氏）という。計算エラーを減らせるので東芝は今後、より実用的な大規模量子コンピューターの開発にも貢献できると期待する。
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