今天，日本上线首台“量子计算云服务”

光子盒研究院出品

作为使用量子计算机构建量子计算平台的一个步骤，日本量子计算联合研究小组已经准备好了第一台基于超导方法的国内量子计算机。3月27日，使用这台机器的云服务已经启动，可以通过互联网对外使用。目前，用户将通过与理化所的合作协议来办理使用手续。

联合小组由中村康信（理化学研究所量子计算机研究中心主任）；菊池胜也（AIST三维集成系统组研究组长）；寺井博隆（NICT超导ICT实验室主任）；北川胜弘，（大阪大学量子信息和量子生命研究中心主任、工程科学研究生院教授）；藤井圭介（副主任、理化学研究所基础工程科学研究生院教授、理化学研究所量子计算理论研究小组组长）；佐藤信太郎（富士通有限公司量子科学实验室主任）组成，由北川胜弘教授（工程科学研究生院教授）、藤井圭介教授（理化学研究所工程科学研究生院教授）、佐藤信太郎博士（富士通有限公司量子科学研究所所长）和德永宏树博士（日本电报电话公司计算机和数据科学实验室研究员）领导，一直致力于在2023年3月27日开发一台量子计算机。目前该量子计算机规模的量子比特数为64位，未来研发将不断实现100量子比特、1000量子比特等里程碑。

此次亮相的日本首台国产超导量子计算机有两个特点：“二维集成电路”和“垂直布线封装”。

在“二维集成电路”中，排列成正方形的四个量子比特通过连接相邻量子比特的“量子比特间耦合”连接在一起。“多个读出滤波器电路”等。将这些由4个量子比特组成的基本单元二维排列，就可以制成量子比特集成电路。这个 64 量子比特的集成电路由 16 个功能单元组成，形成在一块 2 平方厘米的硅芯片上。

（左）64 量子比特二维集成电路芯片。排列了由 4 个量子比特组成的 16 个基本单元的设计。（右上）由四个量子比特组成的基本单元示意图。量子比特排列在正方形的四个角上，读出电路放在中央。（右下）构成量子比特的约瑟夫森结的电子显微照片。资料来源：RIKEN

“二维集成电路”还具有可扩展性高的特点。通过在一个平面上周期性地排列由四个量子比特组成的基本单元，可以增加集成量子比特的数量。64 个量子比特排列成 4x4 阵列，以创建 1024 个量子比特的未来投影。来源：RIKEN

当控制和读出单个量子比特的布线与量子比特在同一平面上时，将布线引出到外部的边的长度不足以满足芯片中排列的量子比特的数量。为了有效地布线，“垂直布线封装”将布线连接到排列在垂直于芯片的二维平面上的量子比特。此外，他们正在开发一种布线封装，可以将布线一次连接到量子比特集成电路芯片上。

（左）垂直布线封装的概念图。量子比特的控制/读出线通过信号接触探针垂直连接到芯片。微波信号通过该布线传输和接收。（右）带有量子比特集成电路芯片的布线封装。来源：RIKEN

超导量子计算机使用在8G至9GHz微波频率振荡的电压脉冲作为控制量子比特的信号，但不同的量子比特需要不同频率的微波。为此，开发了一种能够产生高精度、相位稳定的微波脉冲的控制装置和利用该装置控制量子比特的软件，并将其应用于第一台日本国产超导量子计算机。

量子比特控制器。来源：RIKEN

量子计算云服务是通过日本国内研究机构（包括大学）和公司之间的合作实现的。这项服务不仅有望在研究和开发阶段为日本国内量子信息研究带来人力资源的发展，而且还能促进国内基于信息技术领域的产业发展。

“量子计算云服务”于2023年3月27日上线，实现随时随地使用国产第一台超导量子计算机。任何研究人员/工程师都可以申请非商业用途，用于促进/发展量子计算等研发。但是，目前将通过与RIKEN 的联合研究合同制定使用程序。通过连接RIKEN外部的云服务器，用户可以向超导量子计算机发送作业并接收计算结果。

用户接入量子计算云服务概念图。来源：RIKEN

联合研究小组正在进行进一步的系统开发，例如增加稀释制冷机中的布线密度，以实现具有更多量子比特的量子计算操作。此外，在提供第一台日本国产超导量子计算机作为NISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum：噪声中等规模量子器件）应用平台试验台的同时，将根据用户需求进一步增加目前的64个量子位，公司计划进行必要的研究和开发以提高复杂性。

参考链接：

https://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/index.html

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