量子ビット制御装置の長時間安定動作を実証
キュエル株式会社
デバイスレベル温度制御によりマイクロ波振幅・位相ドリフトを大幅抑制
【概要】
キュエル株式会社の栗本佳典エンジニア、大平龍太郎リサーチサイエンティスト、三好健文CTO（大阪大学量子情報・量子生命研究センター（QIQB）特任教授）、大阪大学量子情報・量子生命研究センター（QIQB）の根来誠教授らの装置開発および研究グループは、超伝導量子ビット（注1）の制御に用いるマイクロ波（注2）信号の長時間安定化を実現する量子ビット制御装置「QuEL-1 SE」を開発し、その性能を実験的に実証しました。本研究では、位相同期回路（PLL）や増幅器などのアナログデバイスに対して個別の温度制御機構を導入することで、長時間運転時に問題となるマイクロ波信号の振幅および位相変動を大幅に抑制しました。24時間にわたり15チャネルのマイクロ波出力を同時測定した結果、振幅の標準偏差（注3）は0.09-0.22%（平均0.15%）、位相の標準偏差は0.35-0.44°（平均0.39°）に抑えられることを確認しました。これらの振幅および位相変動による単一量子ビットゲートのエラーは、量子誤り訂正で要求される典型的なフォールトトレラント閾値よりも十分小さいと推定されます。本成果は、量子コンピュータの長時間運転や大規模化において重要となる高安定マイクロ波制御技術の実現に貢献するものです。本研究成果は Review of Scientific Instruments 誌に掲載されました。
【発表内容】
量子コンピュータでは、量子ビットの状態を操作するためにマイクロ波信号が広く用いられています。特に超伝導量子ビットでは、マイクロ波の周波数、振幅、位相を高精度に制御することが、量子ゲートの高忠実度化に不可欠です。しかし、実際の制御装置では、位相同期回路（PLL）や増幅器、ミキサなどのアナログ回路の温度変化により、マイクロ波信号の振幅や位相が時間とともに変動する問題があります。これらの変動は、長時間にわたる量子計算や量子誤り訂正処理において、量子ゲートの精度を低下させる要因となります。研究グループは、この問題を解決するため、量子ビット制御装置 QuEL-1 SE（図1）において、各アナログデバイスの温度を個別に制御するデバイスレベル温度制御機構を導入しました。
このシステムでは、増幅器、PLL、ミキサなどの温度変化に敏感な部品に対して、サーミスタによる温度検出とヒーターによる加熱を組み合わせたフィードバック制御を行い、周囲環境の温度変動に影響されない安定した動作を実現します。
実験では、3台のQuEL-1 SE装置から出力される合計15チャネルのマイクロ波信号を1台のADCで同時測定し、24時間にわたる振幅および位相の変動を評価しました。
その結果、振幅の標準偏差は0.09-0.22%、位相の標準偏差は0.35-0.44°と非常に小さい値に抑えられることが確認されました。これらの変動は、温度制御無しの場合に比べて1/2以下であり、温度制御の有効性が実証されました（図2）。
また、この安定性が量子ゲートに与える影響に関しては、振幅誤差および位相誤差による単一量子ビットゲートのエラーはそれぞれ約2×10⁻⁶および約2×10⁻⁵と見積もられ、量子誤り訂正で想定されるフォールトトレラント閾値を十分下回ります。
これらの結果は、QuEL-1 SE が長時間にわたる量子計算においても安定したマイクロ波制御を提供できることを示しており、将来的な大規模量子コンピュータの実現に向けた重要な基盤技術となることが期待されます。
[画像1:
https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/173953/3/173953-3-2c02fdd4b2ae2a208f4d4dd5eeaab495-402x201.png?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
図1： QuEL-1 SEの内部写真。写真右側がアナログ回路部分で、茶色の四角形の部品がヒーターである。
[画像2:
https://prcdn.freetls.fastly.net/release_image/173953/3/173953-3-376b48826e21ebbc988e623f95b47241-438x186.png?width=536&quality=85%2C75&format=jpeg&auto=webp&fit=bounds&bg-color=fff ]
図2： QuEL-1 SEのマイクロ波の振幅および位相の24時間測定のグラフ。青線が温度制御をした場合、赤線がしなかった場合の測定結果をそれぞれ示す。グラフから1時間程度の周期性が読み取れるが、これは実験室内の空調による温度変化と同期している。この周期性をもつ空調起因の変動が温度制御によって抑制されていることがわかる。
【論文情報】
- 論文タイトル：Microwave Output Stabilization of a Qubit Controller via Device-Level Temperature Control- 著者：Yoshinori Kurimoto, Dongjun Lee, Koichiro Ban, Shinichi Morisaka, Toshi Sumida, Hidehisa Shiomi, Yosuke Ito, Yuuya Sugita, Makoto Negoro, Ryutaro Ohira, Takefumi Miyoshi- 掲載誌：Review of Scientific Instruments- 掲載日：2026年3月27日（日本時間）- DOI：
https://doi.org/10.1063/5.0311173
【謝辞】
本研究は文部科学省 光・量子飛躍フラッグシッププログラム（Q-LEAP）「知的量子設計による量子ソフトウェア研究開発と応用（課題番号：JPMXS0120319794）」、科学技術振興機構（JST）共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT）量子ソフトウェア研究拠点（課題番号：JPMJPF2014）、およびJST ムーンショット型研究開発事業（課題番号：JPMJMS226A）の支援を受けて実施されました。
【用語解説】
注1 超伝導量子ビット
超伝導回路を用いて実現される量子ビット。極低温環境で電流や電圧の量子状態を利用し、マイクロ波信号によって量子状態を制御する。
注2 マイクロ波（の位相および振幅）
量子ビットを操作するために用いられる電磁波信号。「振幅」は信号の強さ、「位相」は波のタイミングを表し、これらを正確に制御することで量子ゲート操作が行われる。
注3 標準偏差
測定値が平均値からどの程度ばらついているかを表す統計指標。値が小さいほどデータのばらつきが小さく、安定した測定結果であることを示す。
【問い合わせ先】
<研究内容について>
キュエル株式会社
エンジニア 栗本 佳典（くりもと よしのり）
E-mail：kurimoto@quel-inc.com
リサーチサイエンティスト 大平 龍太郎（おおひら りゅうたろう）
E-mail: ohira@quel-inc.com
<機関窓口>
キュエル株式会社 広報担当
E-mail：info@quel-inc.com
大阪大学 量子情報・量子生命研究センター 企画室 プレスリリース窓口
E-mail: press_qiqb@ml.office.osaka-u.ac.jp
プレスリリース提供：PR TIMES
記事提供：PRTimes
