2015 年 10 月 1 日発行超電導 Web21 （公財）国際超電導産業技術研究センター〒213-0012 神奈川県川崎市高津区坂戸 3-2-1 KSP Tel: 044-850-1612 特集：超電導デジタルデバイス「D-Wave の量子アニーリングデバイスと超伝導デジタル回路」国立研究開発法人産業技術総合研究所ナノエレクトロニクス研究部門超伝導計信号処理グループ上級主任研究員日高睦夫カナダの D-Wave Systems が発売した量子コンピュータが注目を集めている。量子コンピュータといっても素因数分解の解法などを行うゲート方式の量子コンピュータとは異なり、最適化問題を解く量子アニーリングマシンである。ゲート方式の量子コンピュータが実現にまだ 10 年以上の歳月が必要と言われているのに対して、量子アニーリングマシンは2010 年に最初の製品が発売され、その後 Lockheed-Martin、Google、NASA が購入したことから話題となり、多くの解説記事が書かれている 1)。量子アニーリングマシンが解く最適化問題とは、多数の候補の中から最適な解を選ぶ問題である。最適化問題の例として巡回セールスマン問題が知られている。これはセールスマンが多数の都市を訪問するときに、全ての都市を一度だけ訪問するという条件の下で最短経路を見つけるという問題である。この手の問題は都市数が少ない時は簡単に解けるが、都市数が増えるに従い計算量が指数関数的に増加することが特徴で、古典コンピュータが苦手な問題である。京コンピュータを用いたとしても 25 都市を越えるくらいから現実的な時間で解くことができなくなる。この最適化問題を効率よく解く手法がビックデータ時代には様々な分野で求められており、量子アニーリングマシンはその有力な候補となっている。 D-Wave の量子アニーリングマシンの外観を図 1 に示す。外観は大きいが。心臓部は図 2 に示される 1 個のチップであり、このチップが希釈冷凍機によって 15 mK に冷却されている 2)。最新チップでは、1152 量子ビットが集積されており、使用されているジョセフソン接合(JJ)の数は 128,000 個である 3)。この JJ 集積数は、動作が実証されている超伝導回路では最も大きい。1 個の量子ビットは 6 個の JJ を使用している。また、1 個の量子ビットは、隣接する量子ビットと可変結合するための超伝導リング結合器を 6 個有しており、それぞれの超伝導リング結合器は JJ を 2 個使用している。これらの JJ はいずれも可変インダクタンスとして働いており、デジタル回路と異なり電圧状態にスイッチすることは無い。可変インダクタンスとして働く JJ の数は高々1 万数千個であり、残りの約 11 万個の JJ はデジタル回路と同じモードで動作している。その一つの例が各量子ビットに 5 個、超伝導リング結合器に 1 個ずつ配置されている DAC (Digital Analog Converter)である。この回路は JJ の電圧状態へのスイッチにより超伝導ループに単一磁束量子(SFQ)を 1 個ずつ挿入していき、SFQ 個数に応じた値の制御電流を量子ビットや超伝導ループ結合器に与える回路である。また、量子ビットの読出しには、本特集で横浜国大の竹内先生が紹介している QFP (Quantum Flux parametron)回路が使用され、量子ビットの状態に応じて超伝導ループに流れる電流が時計回りもしくは反時計回りとなる。この電流の向きを DC-SQUID を用いて電圧に変換することで読出しを行う。他にも制御や読出しのターゲットとなる量子ビットを選択するために超伝導デジタル回路が使用されている。これらのデジタル回路に求められている性能は、極小の発熱とノイズである。これは、量子ビットが動作する 15 mK に冷却する冷凍機の熱バジェットが極めて小さいことと、量子ビットがノイズに対して極めて敏感なことに由来する。 D-Wave の量子アニーリングデバイスは、超伝導材料として Nb、抵抗材料として TiPt、JJ として Nb/AlOx/Nb 接合を用いている。また、平坦化を施した 6 層 Nb 配線構造である。製造は半導体 2015 年 10 月号 © ISTEC 2015 All rights reserved. -1- 2015 年 10 月 1 日発行超電導 Web21 （公財）国際超電導産業技術研究センター〒213-0012 神奈川県川崎市高津区坂戸 3-2-1 KSP Tel: 044-850-1612 ファンドリである Cypress 社の 8 インチ CMOS ラインを使用しており、露光に KrF ステッパーを用いて、最小 JJ 直径 0.6 m、最小線幅 0.25 m を実現している。この製造プロセスは最先端の超伝導デジタルデバイスとほぼ同等である 3)。 D-Wave の量子アニーリングデバイスには、これまで開発されてきた超伝導デジタル回路技術が数多く活かされている。量子アニーリングデバイスの性能を上げるには、量子ビットの性能を向上するとともに大規模化が不可欠である。規模を拡大していくために、デジタル回路技術を量子アニーリングに適した方向に進化させていくことが期待されている。図 1 D-Wave Systems の量子アニーリングマシンの外観 http://www.dwavesys.com/d-wave-two-system 図 2 最新量子アニーリングデバイス「Washington」 http://www.dwavesys.com/d-wave-two-system 参考文献 : 1) http://www.dwavesys.com/d-wave-two-system 2) 例えば、日経コンピュータ ITpro http://itpro.nikkeibp.co.jp/atcl/column/14/346926/080700316/?ST=system 3) http://www.dwavesys.com/press-releases/d-wave-systems-breaks-1000-qubit-quantum-computingbarrier 4) S. Tolpygo, V. Bolkhovsky, T. Weir, and W. Oliver, “Fabricationprocess and properties of fully-planarized deep-submicron Nb/Al-AlOx/Nb Josephson junctions for VLSI circuits”, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 25, no. 3, June 2015. 超電導 Web21 トップページ 2015 年 10 月号 © ISTEC 2015 All rights reserved. -2-