JP2024032256A - 制御システム及び量子コンピュータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ユーザが、種々のレイヤの知識を有していなくても量子コンピュータを制御できる技術を実現する。【解決手段】量子コンピュータを制御する制御システムは、複数の量子ビットを有する量子ビットデバイスを制御するための制御信号を生成するアナログ制御ユニットと接続する。制御システムは、コード形式で記述され、量子ビットデバイスの制御内容を定義する第１制御フローデータを、アナログ制御ユニットによる量子ビットデバイスの制御内容を定義した第２制御フローデータに変換し、第２制御フローデータから、制御信号を生成するための制御データパターンを生成する。【選択図】 図２

Description

本発明は、量子コンピュータの制御技術に関する。

コンピュータの進展を支えてきた半導体素子の微細化には限界が見えており、従来の古典コンピュータの延長で計算機能力を向上させていくことが困難になってきている。このような中、量子コンピュータは、性能限界を新しい計算原理とデバイスによって打破する試みの一つとして期待されている。

量子コンピュータは、重ね合わせ及び量子もつれ等、量子力学的な現象を用いて、指数関数的に膨大な数の並列計算を実現するコンピュータである。量子コンピュータは、理論通り動作すれば、古典コンピュータよりも高速な計算が可能になるとされている。量子コンピュータを実用化させようという試みは、世界的にも広まっており、これまでに数十量子ビット程度のゲート型量子コンピュータの実現が報告されている（例えば、非特許文献１を参照）。

しかし、現在開発されている量子コンピュータは、誤り訂正機能がなく、量子ビット数も１００万程度必要とされる真の汎用量子コンピュータには遠く及ばない。大規模な量子コンピュータの実現に向けた検討が行われている。

特許文献１には、複数の量子ビットを有する量子演算部を量子ビットアレイで構成したシリコン電子スピン型超並列量子コンピュータが開示されている。また、非特許文献２には、量子ビットデバイスとその制御のための量子周辺回路で大規模化を実現する方式が検討されている。

特開２０２１－１７０１９８号公報

Frank Arute, et al., "Quantum supremacy using a programmable superconducting processor," Nature, Vol 574, pp. 505 - 511, 2019. Petit, L. et al., "Universal quantum logic in hot silicon qubits," Nature, Vol 580, pp.355-359, 2020.

量子コンピュータの大規模化に関するハードウェアの試みがある一方で、その検証は、少数の量子ビットを対象として直接制御装置と接続する実験的なものに留まっている。大規模な量子コンピュータを制御するためには、量子ビットデバイスの開発に加えて、多数配置される量子ビットを効率的に制御するシステムの開発が必要である。

大規模な量子コンピュータのシステム開発には、量子デバイス、制御回路、量子アルゴリズムなど、異なるレイヤの知識と、それらに関連した要素技術開発が必要である。制御対象の量子ビット数の増加、周辺制御回路のシステムにも伴い、制御は煩雑し、また、理解が難しいものになる。

そのため、量子コンピュータの開発及び検証を行うユーザが、ハードウェアの設定等、種々のレイヤの知識を用いることなく、より直感的に量子コンピュータを制御できるシステムが求められる。

本発明は、上記のような課題を鑑みてなされたものであり、ユーザが、種々のレイヤの知識を有していなくても量子コンピュータを制御できる技術を提供することを目的とする。

本願において開示される発明の代表的な一例を示せば以下の通りである。すなわち、量子コンピュータを制御する制御システムであって、プロセッサ、前記プロセッサに接続されるメモリ、及び前記プロセッサに接続されるネットワークインタフェースを有する計算機を備え、複数の量子ビットを有する量子ビットデバイスを制御するための制御信号を生成するアナログ制御ユニットと接続し、前記量子ビットデバイスを制御するための設定パラメータに関する第１設定情報、前記アナログ制御ユニットの制御に関する第２設定情報、前記制御信号を生成するための制御データパターンのフォーマットに関する第３設定情報を保持し、前記プロセッサは、前記第１設定情報及び前記第２設定情報に基づいて、コード形式で記述され、前記量子ビットデバイスの制御内容を定義する第１制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットによる前記量子ビットデバイスの制御内容を定義した第２制御フローデータに変換し、前記第３設定情報に基づいて、前記第２制御フローデータから、複数の前記制御データパターンを生成する。

本発明によれば、ユーザは、種々のレイヤの知識を有していなくても量子コンピュータを制御できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例１の量子コンピュータのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 実施例１のデジタル制御ユニットの機能構成の一例を示すブロック図である。 実施例１の量子ビットデバイスを制御するための制御フローデータ（コード記述）及び制御フローデータ（波形記述）の一例を示す図である。 実施例１の制御フローのパラメータの一例を示す図である。 実施例１の制御フローデータ（波形記述）の一例を示す図である。 実施例１の制御フローデータ（コード記述）の一例である。 実施例１のデジタル制御ユニットのユーザ記述レベルに関わる機能構成を示す図である。 実施例１のデジタル制御ユニットが実行するユーザ記述レベルの一例を説明するフローチャートである。 実施例１のＧＵＩの一例を示す図である。 実施例１の量子ビットデバイスの構造の一例を示す図である。 実施例１の信号情報の一例を示す図である。 実施例１のバイアス電圧情報の一例を示す図である。 実施例１のデジタル制御ユニットの制御ユニットレベル、制約考慮レベル、及びデータパターン変換レベルに関わる機能構成を示す図である。 実施例１の制御データパターン生成部が実行する概要の一例を説明するフローチャートである。 実施例１の実行コマンド情報の一例を示す図である。 実施例１の制御ユニットレベルコードの一例を示す図である。 実施例１の制約情報の一例を示す図である。 実施例１の制約考慮制御ユニットレベルコードの一例を示す図である。 実施例１の制御データのフォーマットの一例を示す図である。 実施例１のビット対応情報の一例を示す図である。 実施例１の制御データパターン情報の一例を示す図である。 実施例１の制御データパターン生成部の機能構成の変形例を示す図である。 実施例１のデジタル制御ユニットの実行制御レベルに関わる機能構成を示す図である。 実施例１のデジタル制御ユニットが実行する実行制御レベルの一例を説明するフローチャートである。 実施例１の演算結果のデータフォーマットの一例を示す図である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

以下に説明する発明の構成において、同一又は類似する構成又は機能には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本明細書等における「第１」、「第２」、「第３」等の表記は、構成要素を識別するために付するものであり、必ずしも、数又は順序を限定するものではない。

図面等において示す各構成の位置、大きさ、形状、及び範囲等は、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、及び範囲等を表していない場合がある。したがって、本発明では、図面等に開示された位置、大きさ、形状、及び範囲等に限定されない。

実施例１では、大規模な量子コンピュータの研究開発及び検証において、例えば、量子デバイス及びシステム開発を行うユーザに対して、量子デバイスとは異なるレイヤの煩雑な設定等を隠蔽し、ユーザが要求する量子デバイスの制御を実現する制御システムを説明する。

図１は、実施例１のシステムのハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

システムは、量子コンピュータ１０及び制御システム１１から構成される。量子コンピュータ１０は、アナログ制御ユニット１０２及び量子ビットデバイス１０３から構成される。量子コンピュータ１０及び制御システム１１は、電源１０４から電力を供給する。

制御システム１１は、量子コンピュータ１０の全体を制御する。アナログ制御ユニット１０２は、制御システム１１の出力に基づいて、量子ビットデバイス１０３を制御するためのバイアス電圧、ＲＦ信号、及びタイミング信号等のアナログ制御信号を生成する。アナログ制御ユニット１０２は、例えば、アナログ制御回路又は信号発生装置等を有する。量子ビットデバイス１０３は、量子演算を行うデバイスであり、複数の量子ビットを搭載する。量子ビットデバイス１０３は、例えば、量子ビットが配置された量子ビットチップを含む。

量子ビットデバイス１０３は、量子ビットを安定動作させるために、希釈冷凍機内部の極低温域に配置される。量子ビットデバイス１０３を直接制御するアナログ制御ユニット１０２は、量子ビットデバイス１０３の周辺の低温域に配置される。制御システム１１は常温域に配置される。

近い領域に配置されるアナログ制御ユニット１０２及び量子ビットデバイス１０３の間は、配線１０９を介して直接接続され、制御システム１１及びアナログ制御ユニット１０２の間は通信ケーブル１０８を介して接続される。

制御システム１１は、プロセッサ１１０、記憶デバイス１１１、入出力デバイス１１２、及び通信デバイス１１３を有する。なお、制御システム１１は、複数の計算機から構成されてもよい。

プロセッサ１１０は、記憶デバイス１１１に格納されるプログラムを実行する。プロセッサ１１０がプログラムにしたがって処理を実行することによって、特定の機能を実現する機能部（モジュール）として動作する。以下の説明では、機能部を主語に処理を説明する場合、プロセッサ１１０が当該機能部を実現するプログラムを実行していることを示す。記憶デバイス１１１は、プロセッサ１１０が実行するプログラム及びプログラムが使用する情報を格納する。また、記憶デバイス１１１は、ワークエリアとしても用いられる。

入出力デバイス１１２は、キーボード、マウス、タッチパネル、及びディスプレイ等であり、各種情報の入力を受け付け、また、各種情報を出力する。通信デバイス１１３は、アナログ制御ユニット１０２と通信する。

なお、制御システム１１は、プロセッサ１１０、記憶デバイス１１１、入出力デバイス１１２、及び通信デバイス１１３を有する、複数の計算機から構成されてもよい。

図２は、実施例１の制御システム１１の機能構成の一例を示すブロック図である。

制御システム１１は、ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２１０、コード記述入出力部２１１、波形記述入出力部２１２、記述変換部２１３、ＡＰＩ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）２１４、記録部２１５、制御データパターン生成部２１６、制御部２１７、演算結果格納部２１８、通信部２１９、及びＡＰＩ２２０を有する。

ＧＵＩ２１０は、量子ビットデバイス１０３の制御内容を規定する制御フローに関するデータ（制御フローデータ）の入力を受け付ける。実施例１では、ＧＵＩ２１０は、表現方式が異なる二つの制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１の入力を受け付けることができる。ＧＵＩ２１０は、受け付けた制御フローデータ（コード記述）２３０を、コード記述入出力部２１１に出力し、受け付けた制御フローデータ（波形記述）２３１を、波形記述入出力部２１２に出力する。

以下の説明では、制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１を区別しない場合、制御フローデータと記載する。

記述変換部２１３は、制御フローデータの表現方式を変換するための処理の実行トリガを検知した場合、制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１の間の変換を行う。

ＧＵＩ２１０、コード記述入出力部２１１、波形記述入出力部２１２、及び記述変換部２１３を一つにまとめて、制御フロー受付部としてもよい。

ＡＰＩ２１４は、アナログ制御ユニット１０２及び量子ビットデバイス１０３に関する情報の入力を受け付ける。具体的には、ＡＰＩ２１４は、量子ビットデバイス１０３を制御するための設定パラメータに関する情報として、信号情報２３２及びバイアス電圧情報２３３を受け付ける。また、ＡＰＩ２１４は、アナログ制御ユニット１０２による制御に関する情報として、実行コマンド情報２３４及び制約情報２３５を受け付ける。また、ＡＰＩ２１４は、アナログ制御ユニット１０２が実行可能な、量子ビットデバイス１０３の制御に用いる制御信号を生成するための制御データパターン２５１のデータ構造に関する情報として、フォーマット情報２３６及びビット対応情報２３７を受け付ける。記録部２１５は、ＡＰＩ２１４が受け付けた各種情報を記憶する。

ＡＰＩ２１４及び記録部２１５を一つにまとめて、情報設定部としてもよい。

制御データパターン生成部２１６は、コード記述入出力部２１１から制御フローデータ（コード記述）２３０を取得し、制御フローデータ（コード記述）２３０と記録部２１５に格納される情報とを用いて、量子ビットデバイス１０３の制御に用いる制御信号を生成するための制御データパターン２５１を生成する。

制御部２１７は、制御データパターン生成部２１６から、複数の制御データパターン２５１を格納する制御データパターン情報１３１２（図１３を参照）を取得し、記憶する。制御部２１７は、量子コンピュータ１０の制御処理の実行トリガを検知した場合、通信部２１９に制御データパターン２５１を出力する。また、制御部２１７は、通信部２１９から演算結果２５２を受け付け、演算結果格納部２１８に格納する。

通信部２１９は、通信デバイス１１３を制御してアナログ制御ユニット１０２に制御データパターン２５１を送信する。また、通信部２１９は、通信デバイス１１３を制御してアナログ制御ユニット１０２から演算結果２５２を受信し、制御部２１７に出力する。

制御部２１７、演算結果格納部２１８、及び通信部２１９を一つにまとめて制御実行部としてもよい。

ＡＰＩ２２０は、ユーザプログラム２４１から各種処理の実行トリガ及びファイルの入力を受け付ける。また、ＡＰＩ２２０は、各種処理の実行結果（エラー情報、演算結果２５２等）をユーザプログラム２４１に出力する。

制御システム１１が実行する処理は、ユーザ記述レベル、制御ユニットレベル、制約考慮レベル、データパターン変換レベル、及び実行制御レベルの五つの処理レベルから構成される。

（レベル１）ユーザ記述レベル
ユーザ記述レベルは、制御フロー受付部が実行する処理であり、制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１間の変換処理である。

図３は、実施例１の量子ビットデバイス１０３を制御するための制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１の一例を示す図である。図４は、実施例１の制御フローのパラメータの一例を示す図である。図５は、実施例１の制御フローデータ（波形記述）２３１の一例を示す図である。図６は、実施例１の制御フローデータ（コード記述）２３０の一例である。

図３では、アレイ状に量子ビットが配置された量子ビットデバイス１０３に対する制御フローデータを示す。図３には、丸印で示した量子ビットを制御するための制御フローデータを示している。制御フローは、量子ビットを制御するための、信号端子へのバイアス電圧印加及びＲＦ信号の印加等のタイミングを規定する。

制御フローデータ（コード記述）２３０及び制御フローデータ（波形記述）２３１は、記述方式が異なるが等価なデータである。制御フローデータ（コード記述）２３０は、プログラムコード等と同様の表現で制御フローが記述され、制御フローデータ（波形記述）２３１は、信号波形のシーケンスで制御フローが記述される。

量子ビットデバイス１０３の開発及び検証を行うユーザの観点では、テスタ等の測定装置の表現に近い制御フローデータ（波形記述）２３１が扱いやすい。図３に示す制御フローデータ（波形記述）２３１では、量子ビットに隣接する配線に逆方向の電流を誘起する制御が直感的に表現されている。

一方、システムの観点では、プログラムコードのような制御フローデータ（コード記述）２３０が扱いやすい。制御フローデータ（コード記述）２３０は、視覚的に制御内容が把握できる表現ではないため、制御フローデータ（波形記述）２３１より視認性が劣るが、繰返処理等の再利用、量子ビットアドレスのパラメータ化による汎用化等が見込め点で表現の自由度に優れている。制御システム１１上の処理においても制御フローデータ（コード記述）２３０が制御フローデータ（波形記述）２３１より扱いやすい。

（レベル２）制御ユニットレベル
制御ユニットレベルは、制御データパターン生成部２１６が実行する処理の一つであり、制御フローデータ（コード記述）２３０を、アナログ制御ユニット１０２の実行可能な粒度のコマンド（制御ユニットレベルコード１３１０）に変換する処理である。制御ユニットレベルでは、信号情報２３２、バイアス電圧情報２３３、及び実行コマンド情報２３４が参照される。

（レベル３）制約考慮レベル
制約考慮レベルは、制御データパターン生成部２１６が実行する処理の一つであり、アナログ制御ユニット１０２による制御に関する制約に合わせて、制御ユニットレベルコード１３１０を制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１に変換する処理である。制約考慮レベルでは、制約情報２３５が参照される。

（レベル４）データパターン変換レベル
データパターン変換レベルは、制御データパターン生成部２１６が実行する処理の一つであり、制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１を制御データパターン２５１に変換する処理である。データパターン変換レベルでは、フォーマット情報２３６及びビット対応情報２３７が参照される。

（レベル５）実行制御レベル
実行制御レベルは、制御データパターン２５１を用いて、量子コンピュータ１０を制御する処理である。実行制御レベルでは、アナログ制御ユニット１０２への制御データパターン２５１の送信、並びに、演算結果の受信及び格納等の処理が実行される。

実施例１の制御システム１１は、ＧＵＩ２１０を介して、量子ビットデバイス１０３の開発及び検証を行うユーザ、又は、システムの開発及び検証を行うユーザから、再利用性に優れた制御フローデータ（コード記述）２３０及び視認性に優れた制御フローデータ（波形記述）２３１の入力を受け付ける。制御フローデータ（波形記述）２３１は、量子ビットデバイス１０３の設計及び検証を行うユーザが直感的に量子ビットを操作するのに適した表現であり、扱いやすい。

実施例１の制御システム１１は、処理に使用する情報を受け付けるＡＰＩ２１４と、処理の実行トリガを受け付けるＡＰＩ２２０とを別々に有するため、五つの処理レベルの各々を独立して実行することができる。

各処理レベルで用いる情報を事前に設定することによって、ユーザが他の処理レベルの煩雑な設定を行うことなく、所定の処理レベルの検証を行うことができる。例えば、量子ビットデバイス１０３を開発及び検証するユーザは、アナログ制御ユニット１０２に関する知識等を有することなく、量子ビットデバイス１０３を制御することができる。また、ユーザは、ＡＰＩ２２０を介して、エラー情報、各処理レベルの処理結果、及び演算結果２５２等を取得できる。

次に、本実施例の制御システム１１が実行する処理について、処理レベル毎に説明する。また、処理の説明に合わせて、参照する情報についても説明する。

信号情報２３２、バイアス電圧情報２３３、実行コマンド情報２３４、制約情報２３５、フォーマット情報２３６、及びビット対応情報２３７は、事前に、ＡＰＩ２１４を介して記録部２１５に格納されているものとする。

（ユーザ記述レベル）
図７は、実施例１の制御システム１１のユーザ記述レベルに関わる機能構成を示す図である。図８は、実施例１の制御システム１１が実行するユーザ記述レベルの一例を説明するフローチャートである。図９は、実施例１のＧＵＩ２１０の一例を示す図である。図１０は、実施例１の量子ビットデバイス１０３の構造の一例を示す図である。図１１は、実施例１の信号情報２３２の一例を示す図である。図１２は、実施例１のバイアス電圧情報２３３の一例を示す図である。

制御フロー受付部は、図９に示すようなＧＵＩ２１０を表示し、制御フローデータの入力を受け付ける。ＧＵＩ２１０は、コード入力／表示欄９０１、波形入力／表示欄９０２、及び保存ボタン９０３を含む。

コード入力／表示欄９０１は、コード記述表現の制御フローを入力し、又は、表示するための欄である。波形入力／表示欄９０２は、波形記述表現の制御フローを入力し、又は、表示するための欄である。保存ボタン９０３は、コード入力／表示欄９０１及び波形入力／表示欄９０２のいずれかに入力された制御フローを保存するための操作ボタンである。保存ボタン９０３が操作された場合、コード入力／表示欄９０１及び波形入力／表示欄９０２のいずれかに入力された制御フローのデータが制御フロー受付部に入力される。

制御フロー受付部は、制御フローデータを保存した後、実行トリガを監視する（ステップＳ８０１）。

具体的には、コード記述入出力部２１１及び波形記述入出力部２１２が実行トリガを監視する。実行トリガは、ユーザプログラム２４１からＡＰＩ２２０を介して受け付ける。なお、実行トリガを受け付ける機能をＧＵＩ２１０に実装してもよい。例えば、保存ボタン９０３を押下された場合、制御フロー変換処理の実行トリガを入力するようにしてもよい。また、ＧＵＩ２１０に、制御ユニットレベルの実行トリガを入力するためのボタンをもうけてもよい。

なお、制御フロー受付部は、実行トリガの監視中に、制御フローデータに対する編集を受け付けることができる。

制御フロー受付部は、実行トリガを検知した場合、当該実行トリガが制御フローデータ変換処理の実行トリガであるか否かを判定する（ステップＳ８０２）。

検知した実行トリガが制御フローの変換処理の実行トリガである場合、制御フロー受付部は制御フロー変換処理を実行する（ステップＳ８０３）。制御フロー変換処理の詳細は後述する。

制御フロー受付部は、制御フローの変換処理が正常に終了したか否かを判定する（ステップＳ８０４）。

制御フローの変換処理が正常に終了しなかった場合、制御フロー受付部は、ユーザプログラム２４１にエラー情報を出力し（ステップＳ８０５）、処理を終了する。

制御フローの変換処理が正常に終了した場合、制御フロー受付部は、ＧＵＩ２１０に変換された制御フローを表示し（ステップＳ８０６）、その後、ステップＳ８０１に戻る。

ステップＳ８０２において、制御ユニットレベルの実行トリガである場合、制御フロー受付部は、実行トリガの監視を終了し、制御データパターン生成部２１６に制御フローデータ（コード記述）２３０を送信する（ステップＳ８０７）。

ここで、制御フロー変換処理について説明する。制御フロー変換処理は記述変換部２１３によって実行される。

（変換１）制御フローデータ（コード記述）２３０を受け付けている場合、記述変換部２１３は、信号情報２３２及びバイアス電圧情報２３３を用いて、制御フローデータ（コード記述）２３０を制御フローデータ（波形記述）２３１に変換する。

図１０に、量子ビットデバイス１０３の一部分の構造を示す。「ＸＪＮｉ０」、「ＵＪＷ０」等は信号端子の信号名を表す。信号端子にバイアス電圧を印加することによって量子ビットが制御される。制御フローを記述するためには、信号名、並びに、バイアス電圧の名称及び値等が必要となる。信号情報２３２は設定パラメータである信号名を定義した情報であり、バイアス電圧情報２３３は設定パラメータであるバイアス電圧の名称及び値を定義した情報である。図１０に示す量子ビットデバイス１０３の信号情報２３２は、例えば、図１１に示すような情報である。また、図１０に示す量子ビットデバイス１０３のバイアス電圧情報２３３は、例えば、図１２のような情報である。

記述変換部２１３は、信号情報２３２及びバイアス電圧情報２３３を参照し、制御フローデータ（コード記述）２３０における信号名及びバイアス電圧名等に誤りがあるか否かを判定する。記述に誤りがある場合、記述変換部２１３はエラー情報を出力し、変換処理を終了する。記述に誤りがない場合、記述変換部２１３は、コード記述及び波形記述間の対応関係に基づいて、制御フローデータ（コード記述）２３０を制御フローデータ（波形記述）２３１に変換する。記述変換部２１３は、制御フローデータ（波形記述）２３１を波形記述入出力部２１２に格納する。波形記述入出力部２１２は制御フローデータ（波形記述）２３１をＧＵＩ２１０に出力し、ＧＵＩ２１０は波形入力／表示欄９０２に制御フローデータ（波形記述）２３１を表示する。ＧＵＩ２１０は、制御フローデータ（波形記述）２３１に対する編集を受け付けることができる。制御フローデータ（波形記述）２３１に対する編集結果は、ＧＵＩ２１０を介して波形記述入出力部２１２に格納される。

（変換２）制御フローデータ（波形記述）２３１を受け付けている場合、記述変換部２１３は、コード記述及び波形記述間の所定の対応関係に基づいて、制御フローデータ（波形記述）２３１を制御フローデータ（コード記述）２３０に変換する。記述変換部２１３は、信号情報２３２及びバイアス電圧情報２３３を参照して、制御フローデータ（コード記述）２３０における信号名及びバイアス電圧等に誤りがあるか否かを判定する。記述に誤りがある場合、記述変換部２１３はエラー情報を出力し、変換処理を終了する。記述に誤りがない場合、記述変換部２１３は、制御フローデータ（コード記述）２３０をコード記述入出力部２１１に格納する。コード記述入出力部２１１は制御フローデータ（コード記述）２３０をＧＵＩ２１０に出力し、ＧＵＩ２１０はコード入力／表示欄９０１に制御フローデータ（コード記述）２３０を表示する。ＧＵＩ２１０は、制御フローデータ（コード記述）２３０に対する編集を受け付けることができる。制御フローデータ（コード記述）２３０に対する編集結果は、ＧＵＩ２１０を介してコード記述入出力部２１１に格納される。

制御システム１１は、再利用性の高いコード記述の制御フロー及び視覚的に制御内容が把握できる波形記述の制御フローの両方を受け付けることができる。また、制御システム１１は、表現が異なる制御フローを相互に変換し、ユーザに提示することができる。ユーザは、変換された制御フローを参照することによって、効率的に制御フローを編集できる。

（制御ユニットレベル、制約考慮レベル、データパターン変換レベル）
図１３は、実施例１の制御システム１１の制御ユニットレベル、制約考慮レベル、及びデータパターン変換レベルに関わる機能構成を示す図である。図１４は、実施例１の制御データパターン生成部２１６が実行する概要の一例を説明するフローチャートである。図１５は、実施例１の実行コマンド情報２３４の一例を示す図である。図１６は、実施例１の制御ユニットレベルコードの一例を示す図である。図１７は、実施例１の制約情報２３５の一例を示す図である。図１８は、実施例１の制約考慮制御ユニットレベルコードの一例を示す図である。図１９は、実施例１の制御データのフォーマットの一例を示す図である。図２０は、実施例１のビット対応情報２３７の一例を示す図である。図２１は、実施例１の制御データパターン情報の一例を示す図である。

制御データパターン生成部２１６は、制御ユニットレベルを実行するコードレベル変換部１３０１、制約考慮レベルを実行するコード制約考慮部１３０２、及びデータパターン変換レベルを実行するデータパターン変換部１３０３を含む。

制御データパターン生成部２１６は、制御フローデータ（コード記述）２３０を受け付け、かつ、実行トリガを検知した場合、制御データパターン２５１を生成する処理を開始する。実行トリガは、ユーザプログラム２４１からＡＰＩ２２０を介して受け付ける。なお、実行トリガを受け付ける機能をＧＵＩ２１０に実装してもよい。

コードレベル変換部１３０１は、制御フローデータ（コード記述）２３０を受け付け、かつ、実行トリガを検知した場合、制御フローデータ（コード記述）２３０から制御ユニットレベルコード１３１０を生成するためのコードレベル変換処理を実行する（ステップＳ１４０１）。

（Ｓ１４０１－１）コードレベル変換部１３０１は、信号情報２３２及びバイアス電圧情報２３３を参照し、信号名及びバイアス電圧名等に誤りがあるか否かを判定する。誤りがある場合、コードレベル変換部１３０１はエラー情報を生成し、コードレベル変換処理を終了する。

（Ｓ１４０１－２）誤りがない場合、コードレベル変換部１３０１は、制御フローデータ（コード記述）２３０と、図１５に示すような実行コマンド情報２３４に定義されたアナログ制御ユニット１０２の実行コマンドとの対応関係に基づいて、アナログ制御ユニット１０２が実行可能な粒度に制御フローデータ（コード記述）２３０を分解することによって、図１６に示すような制御ユニットレベルコード１３１０を生成する。例えば、制御フローデータ（コード記述）２３０のバイアス印加は、制御ユニットレベルコードでは、ＤＢＳ及びＢＳＥに分解され、ＲＦ信号の印加は、ＲＦＷ及びＲＦＳに分解される。

コードレベル変換部１３０１は、コードレベル変換処理が正常に終了したか否かを判定する（ステップＳ１４０２）。

コードレベル変換処理が正常に終了していない場合、コードレベル変換部１３０１は、エラー情報を出力し（ステップＳ１４０７）、全体の処理を終了する。

コードレベル変換処理が正常に終了した場合、コードレベル変換部１３０１は、コード制約考慮部１３０２に制御ユニットレベルコード１３１０を出力する。

コード制約考慮部１３０２は、制御ユニットレベルコード１３１０を受け付け、かつ、実行トリガを検知した場合、制御ユニットレベルコード１３１０から制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１を生成するためのコード制約考慮処理を実行する（ステップＳ１４０３）。

コード制約考慮処理では、図１７に示すような制約情報２３５が用いられる。制約情報２３５には、同時制約情報１７０１、順序制約情報１７０２、及び数値制約情報１７０３が含まれる。

同時制約情報１７０１には、同時実行可能な制御コマンドに関する制約が定義される。アナログ制御ユニット１０２において、同時に実行可能な制御コマンドが存在する場合、又は、同時に複数の設定が可能な制御コマンドが存在する場合、コード制約考慮部１３０２は、制御ユニットレベルコード１３１０に含まれる制御コマンドを最適化する。

順序制約情報１７０２には、制御コマンドの実行順序に関する制約が定義される。量子ビットデバイス１０３へデバイス電圧を印加するためには、アナログ制御ユニット１０２が所定の順番で制御コマンドを実行する必要がある。例えば、信号に対するＤＢＳ、ＢＳＷ、ＢＳＥには順番に依存関係がある。

数値制約情報１７０３には、設定パラメータの値域に関する制約が定義される。設定パラメータの値は値域内に設定する必要がある。

（Ｓ１４０３－１）例えば、コード制約考慮部１３０２は、制御ユニットレベルコード１３１０について数値制約情報１７０３を満たすか否かを判定する。数値制約情報１７０３を満たさない場合、コード制約考慮部１３０２はエラー情報を生成し、コード制約考慮処理を終了する。

（Ｓ１４０３－２）数値制約情報１７０３を満たす場合、コード制約考慮部１３０２は、同時制約情報１７０１及び順序制約情報１７０２に基づいて、制御ユニットレベルコード１３１０を最適化することによって、図１８に示すような制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１を生成する。

コード制約考慮部１３０２は、コード制約考慮処理が正常に終了したか否かを判定する（ステップＳ１４０４）。

コード制約考慮処理が正常に終了していない場合、コード制約考慮部１３０２は、エラー情報を出力し（ステップＳ１４０７）、全体の処理を終了する。

コード制約考慮処理が正常に終了した場合、コード制約考慮部１３０２は、データパターン変換部１３０３に制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１を出力する。

データパターン変換部１３０３は、制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１を受け付け、かつ、実行トリガを検知した場合、制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１から制御データパターン２５１を生成するためのデータパターン変換処理を実行する（ステップＳ１４０５）。

データパターン変換処理では、図１９に示すような制御データパターンのフォーマットを定義したフォーマット情報２３６と、図２０に示すようなビット対応情報２３７とが用いられる。フォーマット情報２３６は、制御データパターン２５１のビットフィールドを定義する情報である。ビット対応情報２３７は、例えば、バイアス電圧名又は信号名等とビット表現との対応関係（符号２００１、２００２）を定義する情報である。

データパターン変換部１３０３は、フォーマット情報２３６にて定義されたビットフィールドに合わせて、制約考慮制御ユニットレベルコード１３１１に含まれる制御コマンド及び設定データ等をビット列に変換する。このとき、データパターン変換部１３０３は、ビット対応情報２３７を参照して、信号名に対応する設定データを追加する。これによって、図２１に示すような制御データパターン情報１３１２が生成される。一つの行が一つの制御データパターン２５１に対応する。

データパターン変換部１３０３は、データパターン変換処理が正常に終了したか否かを判定する（ステップＳ１４０６）。

データパターン変換処理が正常に終了していない場合、データパターン変換部１３０３は、エラー情報を出力し（ステップＳ１４０７）、全体の処理を終了する。

データパターン変換処理が正常に終了した場合、データパターン変換部１３０３は、実行制御レベルの実行トリガを監視する（ステップＳ１４０８）。

実行制御レベルの実行トリガを検知した場合、データパターン変換部１３０３は、制御部２１７に制御データパターン情報１３１２を出力し（ステップＳ１４０９）、全体の処理を終了する。

図２２は、実施例１の制御データパターン生成部２１６の機能構成の変形例を示す図である。

制御データパターン生成部２１６は、二つのタイミングチャート変換部２２００、２２０１を有してもよい。タイミングチャート変換部２２００は、制御ユニットレベルの処理結果をタイミングチャートに変換し、ユーザに提示する。タイミングチャート変換部２２０１は、制約考慮レベルの処理結果をタイミングチャートに変換し、ユーザに提示する。

なお、制御データパターン生成部２１６は、ＡＰＩ２２０を介して、各処理レベルの処理結果等をそのまま出力してもよい。

ユーザは、出力された処理結果等を分析することによって、信号情報２３２等、各種情報にフィードバックを反映させることができる。

制御システム１１は、制御フローデータ（コード記述）２３０を、アナログ制御ユニット１０２が実行可能な粒度のコマンドに変換できる。また、制御システム１１は、アナログ制御ユニット１０２の制御に関する制約を考慮して、制御フローデータ（コード記述）２３０を最適化できる。また、制御システム１１は、制御フローデータ（コード記述）２３０を制御データパターン２５１に変換できる。

信号の情報、パラメータの設定、及び制御の制約等、異なるレイヤの知識はＡＰＩ２１４を介して個別に設定できる。これによって、種々のレイヤの知識を有していないユーザでも量子ビットデバイス１０３を制御できる。

（実行制御レベル）
図２３は、実施例１の制御システム１１の実行制御レベルに関わる機能構成を示す図である。図２４は、実施例１の制御システム１１が実行する実行制御レベルの一例を説明するフローチャートである。図２５は、実施例１の演算結果２５２のデータフォーマットの一例を示す図である。

実行トリガは、ユーザプログラム２４１からＡＰＩ２２０を介して受け付ける。なお、実行トリガを受け付ける機能をＧＵＩ２１０に実装してもよい。

制御部２１７は、制御データパターン情報１３１２を受け付け、かつ、実行トリガを検知した場合、アドレスを初期化する（ステップＳ２４０１）。

制御部２１７は、制御データパターン情報１３１２から、アドレスに対応する制御データパターン２５１を読み出す（ステップＳ２４０２）。

制御部２１７は、全ての制御データパターン２５１の読み出しが完了したか否かを判定する（ステップＳ２４０３）。具体的には、アドレスに対応する制御データパターン２５１が存在するか否かが判定される。アドレスに対応する制御データパターン２５１が存在しない場合、制御部２１７は、全ての制御データパターン２５１の読み出しが完了したと判定する。

全ての制御データパターン２５１の読み出しが完了した場合、制御部２１７は、実行制御レベルを終了する。

全ての制御データパターン２５１の読み出しが完了していない場合、制御部２１７は、読み出された制御データパターン２５１が演算結果２５２の取得を指示する制御データパターンであるか否かを判定する（ステップＳ２４０４）。

読み出された制御データパターン２５１が演算結果２５２の取得を指示する制御データパターンではない場合、制御部２１７は、通信部２１９に、読み出された制御データパターン２５１の送信を指示する（ステップＳ２４０５）。通信部２１９は、指示を受け付けた場合、アナログ制御ユニット１０２に制御データパターン２５１を送信する。

アナログ制御ユニット１０２は、受信した制御データパターン２５１をメモリに格納し、また、制御データパターン２５１の格納を実行トリガとして検知する。アナログ制御ユニット１０２は、制御データパターン２５１に基づいて制御信号を生成し、当該制御信号を用いて量子ビットデバイス１０３を制御する。

制御部２１７は、アドレスをインクリメントし（ステップＳ２４０９）、その後、ステップＳ２４０２に戻る。

読み出された制御データパターン２５１が演算結果２５２の取得を指示する制御データパターンである場合、制御部２１７は、通信部２１９に演算結果２５２の読み込みの設定データの送信を指示し（ステップＳ２４０６）、待ち状態に移行する。通信部２１９は、アナログ制御ユニット１０２に演算結果２５２の読み込みの設定データを送信する。

アナログ制御ユニット１０２は、設定データに基づいて図２５に示すようなデータフォーマットの演算結果２５２を生成し、制御システム１１に送信する。

制御部２１７は、演算結果を受信したか否かを判定する（ステップＳ２４０７）。

演算結果を受信していない場合、制御部２１７は、一定期間経過した後、ステップＳ２４０７に戻る。

演算結果を受信した場合、制御部２１７は、演算結果格納部２１８に演算結果２５２を格納し（ステップＳ２４０８）、アドレスをインクリメントし（ステップＳ２４０９）、その後、ステップＳ２４０２に戻る。

演算結果格納部２１８は、ＡＰＩ２２０を介して、ユーザプログラム２４１に演算結果２５２を出力できる。

以上で説明したように、実施例１の制御システム１１は、大規模な量子コンピュータの開発及び検証において、量子ビットデバイス１０３及びシステム制御等、ユーザが種々のレイヤの知識を有していなくても、量子ビットデバイス１０３を制御することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をコンピュータに提供し、そのコンピュータが備えるプロセッサが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、本実施例に記載の機能を実現するプログラムコードは、例えば、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａ（登録商標）等の広範囲のプログラム又はスクリプト言語で実装できる。

さらに、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することによって、それをコンピュータのハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ－ＲＷ、ＣＤ－Ｒ等の記憶媒体に格納し、コンピュータが備えるプロセッサが当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしてもよい。

上述の実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。

１０ 量子コンピュータ
１１ 制御システム
１０２ アナログ制御ユニット
１０３ 量子ビットデバイス
１０４ 電源
１０８ 通信ケーブル
１０９ 配線
１１０ プロセッサ
１１１ 記憶デバイス
１１２ 入出力デバイス
１１３ 通信デバイス
２１０ ＧＵＩ
２１１ コード記述入出力部
２１２ 波形記述入出力部
２１３ 記述変換部
２１４、２２０ ＡＰＩ
２１５ 記録部
２１６ 制御データパターン生成部
２１７ 制御部
２１８ 演算結果格納部
２１９ 通信部
２３０ 制御フローデータ（コード記述）
２３１ 制御フローデータ（波形記述）
２３２ 信号情報
２３３ バイアス電圧情報
２３４ 実行コマンド情報
２３５ 制約情報
２３６ 制御データフォーマット情報
２３７ ビット対応情報
２４１ ユーザプログラム
２５１ 制御データパターン
２５２ 演算結果
１３０１ コードレベル変換部
１３０２ コード制約考慮部
１３０３ データパターン変換部
１３１０ 制御ユニットレベルコード
１３１１ 制約考慮制御ユニットレベルコード
１３１２ 制御データパターン情報
１７０１ 同時制約情報
１７０２ 順序制約情報
１７０３ 数値制約情報
２２００、２２０１ タイミングチャート変換部

Claims (15)

1. 量子コンピュータを制御する制御システムであって、
   プロセッサ、前記プロセッサに接続されるメモリ、及び前記プロセッサに接続されるネットワークインタフェースを有する計算機を備え、
   複数の量子ビットを有する量子ビットデバイスを制御するための制御信号を生成するアナログ制御ユニットと接続し、
   前記量子ビットデバイスを制御するための設定パラメータに関する第１設定情報、前記アナログ制御ユニットの制御に関する第２設定情報、前記制御信号を生成するための制御データパターンのフォーマットに関する第３設定情報を保持し、
   前記プロセッサは、
   前記第１設定情報及び前記第２設定情報に基づいて、コード形式で記述され、前記量子ビットデバイスの制御内容を定義する第１制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットによる前記量子ビットデバイスの制御内容を定義した第２制御フローデータに変換し、
   前記第３設定情報に基づいて、前記第２制御フローデータから、複数の前記制御データパターンを生成することを特徴とする制御システム。
2. 請求項１に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、
   ユーザが視覚的に制御内容を把握できる波形形式で記述され、前記量子ビットデバイスの制御内容を定義する第３制御フローデータを受け付け、
   前記第３制御フローデータを前記第１制御フローデータに変換することを特徴とする制御システム。
3. 請求項２に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、
   前記第１制御フローデータを受け付け、
   前記第１制御フローデータを前記第３制御フローデータに変換し、出力することを特徴とする制御システム。
4. 請求項１に記載の制御システムであって、
   前記第１設定情報は、前記量子ビットデバイスにおける信号の設定パラメータを定義した信号情報と、前記量子ビットデバイスにおけるバイアス電圧の設定パラメータを定義したバイアス電圧情報と、を含み、
   前記第２設定情報は、前記アナログ制御ユニットが実行するコマンドを定義した実行コマンド情報と、前記アナログ制御ユニットの制御の制約を定義した制約情報とを含み、
   前記プロセッサは、
   前記信号情報、前記バイアス電圧情報、及び前記実行コマンド情報に基づいて、前記第１制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットが実行可能な粒度のコマンド群から構成される第１中間制御フローデータに変換し、
   前記制約情報に基づいて、前記第１中間制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットの制約を満たし、かつ、最適化されたコマンド群から構成される前記第２制御フローデータに変換することを特徴とする制御システム。
5. 請求項４に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、前記第１中間制御フローデータ及び前記第２制御フローデータを出力することを特徴とする制御システム。
6. 請求項４に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、前記第１中間制御フローデータ及び前記第２制御フローデータをタイミングチャートに変換し、出力することを特徴とする制御システム。
7. 請求項１に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、
   前記アナログ制御ユニットに、複数の前記制御データパターンを送信し、
   前記アナログ制御ユニットから、前記量子ビットデバイスの演算結果を取得することを特徴とする制御システム。
8. 請求項１に記載の制御システムであって、
   前記プロセッサは、前記第１設定情報、前記第２設定情報、及び前記第３設定情報を設定するためのインタフェースを提示することを特徴とする制御システム。
9. 制御システムが実行する量子コンピュータの制御方法であって、
   前記制御システムは、
   プロセッサ、前記プロセッサに接続されるメモリ、及び前記プロセッサに接続されるネットワークインタフェースを有する計算機を含み、
   複数の量子ビットを有する量子ビットデバイスを制御するための制御信号を生成するアナログ制御ユニットと接続し、
   前記量子ビットデバイスを制御するための設定パラメータに関する第１設定情報、前記アナログ制御ユニットの制御に関する第２設定情報、前記制御信号を生成するための制御データパターンのフォーマットに関する第３設定情報を保持し、
   前記量子コンピュータの制御方法は、
   前記プロセッサが、前記第１設定情報及び前記第２設定情報に基づいて、コード形式で記述され、前記量子ビットデバイスの制御内容を定義する第１制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットによる前記量子ビットデバイスの制御内容を定義した第２制御フローデータに変換する第１のステップと、
   前記プロセッサが、前記第３設定情報に基づいて、前記第２制御フローデータから、複数の前記制御データパターンを生成する第２のステップと、を含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
10. 請求項９に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記第１のステップは、
    前記プロセッサが、ユーザが視覚的に制御内容を把握できる波形形式で記述され、前記量子ビットデバイスの制御内容を定義する第３制御フローデータを受け付けるステップと、
    前記プロセッサが、前記第３制御フローデータを前記第１制御フローデータに変換するステップと、を含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
11. 請求項１０に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記プロセッサが、前記第１制御フローデータを受け付けるステップと、
    前記プロセッサが、前記第１制御フローデータを前記第３制御フローデータに変換し、出力するステップと、を含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
12. 請求項９に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記第１設定情報は、前記量子ビットデバイスにおける信号の設定パラメータを定義した信号情報と、前記量子ビットデバイスにおけるバイアス電圧の設定パラメータを定義したバイアス電圧情報と、を含み、
    前記第２設定情報は、前記アナログ制御ユニットが実行するコマンドを定義した実行コマンド情報と、前記アナログ制御ユニットの制御の制約を定義した制約情報とを含み、
    前記第１のステップは、
    前記プロセッサが、前記信号情報、前記バイアス電圧情報、及び前記実行コマンド情報に基づいて、前記第１制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットが実行可能な粒度のコマンド群から構成される第１中間制御フローデータに変換するステップと、
    前記プロセッサが、前記制約情報に基づいて、前記第１中間制御フローデータを、前記アナログ制御ユニットの制約を満たし、かつ、最適化されたコマンド群から構成される前記第２制御フローデータに変換するステップと、を含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
13. 請求項１２に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記プロセッサが、前記第１中間制御フローデータ及び前記第２制御フローデータを出力するステップを含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
14. 請求項１２に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記プロセッサが、前記第１中間制御フローデータ及び前記第２制御フローデータをタイミングチャートに変換し、出力するステップを含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。
15. 請求項９に記載の量子コンピュータの制御方法であって、
    前記プロセッサが、前記アナログ制御ユニットに、複数の前記制御データパターンを送信するステップと、
    前記プロセッサが、前記アナログ制御ユニットから、前記量子ビットデバイスの演算結果を取得するステップと、を含むことを特徴とする量子コンピュータの制御方法。

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