JPWO2021064932A1 - Quantum circuit system - Google Patents

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Abstract

2つの量子回路を動作させるコストを低減することができる量子回路システムを提供する。量子回路システム100は、第1温度に調整される第1ステージ24及び第1温度より低い第2温度に調整される第2ステージ26を有する冷凍機20と、第1ステージに設置され、超伝導状態で量子効果又は熱的効果を用いた演算を行う第1回路21と、第2ステージに設置され、超伝導状態で量子効果を用いた演算を行う第2回路22と、第1回路及び第2回路を制御する制御装置10と、を備える。Provided is a quantum circuit system capable of reducing the cost of operating two quantum circuits. The quantum circuit system 100 is installed in a refrigerator 20 having a first stage 24 adjusted to a first temperature and a second stage 26 adjusted to a second temperature lower than the first temperature, and superconductivity in the first stage. The first circuit 21 that performs calculations using quantum effects or thermal effects in a state, the second circuit 22 that is installed in the second stage and performs calculations using quantum effects in a superconducting state, the first circuit, and the first circuit. A control device 10 for controlling two circuits is provided.

Description

本発明は、量子回路システムに関する。 The present invention relates to a quantum circuit system.

近年、量子コンピュータの実用化に向けて研究が進められている。例えば、下記非特許文献1では、クライオスタットのmK領域に量子アレイを設置し、量子アレイを制御する制御パルスを出力するユニットを3K領域に設置することが記載されている。 In recent years, research has been advanced toward the practical application of quantum computers. For example, Non-Patent Document 1 below describes that a quantum array is installed in the mK region of the cryostat, and a unit that outputs a control pulse for controlling the quantum array is installed in the 3K region.

R. McDermott et al., "Quantum Classical Interface Based on Single Flux Quantum Digital Logic," Quantum Science and Technology, vol 3, 2018R. McDermott et al., "Quantum Classical Interface Based on Single Flux Quantum Digital Logic," Quantum Science and Technology, vol 3, 2018

従来、非特許文献1に記載のような量子ゲート型の量子回路の他、量子アニーリング型の量子回路も用いられている。量子ゲート型の量子回路と、量子アニーリング型の量子回路とは、いずれも極低温で動作するため、それぞれ冷凍機内に設置される。冷凍機内で最低温度に達するステージの面積は限られている。マイクロ波を用いて動作させる量子ゲート型の量子回路と、dcからMHz帯域の交流周波数を用いて動作させる量子アニーリング型の量子回路は、それぞれ異なる冷凍機に設置される。 Conventionally, in addition to the quantum gate type quantum circuit as described in Non-Patent Document 1, a quantum annealing type quantum circuit has also been used. Since both the quantum gate type quantum circuit and the quantum annealing type quantum circuit operate at extremely low temperatures, they are installed in the refrigerator respectively. The area of the stage that reaches the lowest temperature in the freezer is limited. A quantum gate type quantum circuit operated by using microwaves and a quantum annealing type quantum circuit operated by using an AC frequency in the dc to MHz band are installed in different refrigerators.

そのため、2つの量子回路を動作させる場合、冷凍機を極低温に維持するためのコストがそれぞれ発生してしまい、コストが増大してしまう。 Therefore, when operating the two quantum circuits, the cost for maintaining the refrigerator at an extremely low temperature is incurred, which increases the cost.

そこで、本発明は、2つの量子回路を動作させるコストを低減することができる量子回路システムを提供する。 Therefore, the present invention provides a quantum circuit system capable of reducing the cost of operating two quantum circuits.

本発明の一態様に係る量子回路システムは、第1温度に調整される第1ステージ及び第1温度より低い第2温度に調整される第2ステージを有する冷凍機と、第1ステージに設置され、超伝導状態で量子効果又は熱的効果を用いた演算を行う第1回路と、第2ステージに設置され、超伝導状態で量子効果を用いた演算を行う第2回路と、第1回路及び第2回路を制御する制御装置と、を備える。 The quantum circuit system according to one aspect of the present invention is installed in a refrigerator having a first stage adjusted to a first temperature and a second stage adjusted to a second temperature lower than the first temperature, and a first stage. , The first circuit that performs calculations using quantum effects or thermal effects in the superconducting state, the second circuit that is installed in the second stage and performs calculations using quantum effects in the superconducting state, the first circuit, and A control device for controlling the second circuit is provided.

この態様によれば、単一の冷凍機が有する異なるステージに第1回路及び第2回路を設置することで、2つの量子回路を動作させるコストを低減することができる。 According to this aspect, by installing the first circuit and the second circuit on different stages of a single refrigerator, the cost of operating the two quantum circuits can be reduced.

上記態様において、制御装置は、与えられた問題を識別し、古典計算アルゴリズム及び量子計算アルゴリズムを含む複数のアルゴリズムのいずれを用いて問題を解くか選択する選択部と、選択されたアルゴリズムに応じて、第1回路又は第2回路による演算を制御する制御部と、を有してもよい。 In the above embodiment, the controller identifies a given problem and, depending on the algorithm selected, a selection unit that selects whether to solve the problem using a plurality of algorithms including a classical calculation algorithm and a quantum calculation algorithm. , A control unit that controls an operation by the first circuit or the second circuit may be provided.

この態様によれば、与えられた問題に応じて適切なアルゴリズムを選択し、そのアルゴリズムの実行に適した回路を用いて効率的に問題を解くことができる。 According to this aspect, an appropriate algorithm can be selected according to a given problem, and the problem can be efficiently solved by using a circuit suitable for executing the algorithm.

上記態様において、古典計算を行う第3回路を備える古典計算装置をさらに備え、制御部は、選択されたアルゴリズムに応じて、第1回路、第2回路又は第3回路による演算を制御してもよい。 In the above embodiment, the classical calculation device including the third circuit for performing the classical calculation is further provided, and the control unit may control the calculation by the first circuit, the second circuit, or the third circuit according to the selected algorithm. good.

この態様によれば、与えられた問題に応じて、古典計算機を用いるか、量子アニーリングマシンを用いるか、汎用のゲート型量子計算機を用いるかを選択することができ、効率的に問題を解くことができる。 According to this aspect, it is possible to select whether to use a classical computer, a quantum annealing machine, or a general-purpose gated quantum computer according to a given problem, and solve the problem efficiently. Can be done.

上記態様において、第1回路は、第1温度が所定温度以下である場合に量子アニーリングを用いた演算を行う量子回路を含んでもよい。 In the above embodiment, the first circuit may include a quantum circuit that performs an operation using quantum annealing when the first temperature is equal to or lower than a predetermined temperature.

上記態様において、第2回路は、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う量子回路を含んでもよい。 In the above embodiment, the second circuit may include a quantum circuit that performs quantum computation by combining quantum gates.

上記態様において、制御部は、第2回路による演算を行う場合に、第1回路によりエラー検出を行い、エラーが検出された箇所に対応する第2回路の量子状態をエラー訂正するように制御してもよい。 In the above embodiment, the control unit controls the error detection by the first circuit and the error correction of the quantum state of the second circuit corresponding to the location where the error is detected when the calculation by the second circuit is performed. You may.

この態様によれば、適切なエラー訂正を行い、第2回路の演算におけるエラー率を低下させることができる。 According to this aspect, it is possible to perform appropriate error correction and reduce the error rate in the calculation of the second circuit.

上記態様において、第1ステージに設置され、第2回路を制御する制御パルスを出力するパルス源をさらに備えてもよい。 In the above embodiment, a pulse source installed in the first stage and outputting a control pulse for controlling the second circuit may be further provided.

この態様によれば、パルス源を第1ステージに設置することで、制御パルスのノイズを低減し、第2回路の演算におけるエラー率をより低減させることができる。 According to this aspect, by installing the pulse source in the first stage, the noise of the control pulse can be reduced, and the error rate in the calculation of the second circuit can be further reduced.

本発明によれば、2つの量子回路を動作させるコストを低減することができる量子回路システムを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a quantum circuit system capable of reducing the cost of operating two quantum circuits.

本発明の第1実施形態に係る量子回路システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum circuit system which concerns on 1st Embodiment of this invention. 第1実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the refrigerator which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る第1回路の回路図である。It is a circuit diagram of the 1st circuit which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る第2回路の回路図である。It is a circuit diagram of the 2nd circuit which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る量子回路システムにより実行されるアルゴリズム選択処理のフローチャートである。It is a flowchart of the algorithm selection process executed by the quantum circuit system which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る量子回路システムによるエラー訂正を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the error correction by the quantum circuit system which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態の変形例に係る第1回路の回路図である。It is a circuit diagram of the 1st circuit which concerns on the modification of 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the refrigerator which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the refrigerator which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る冷凍機の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the refrigerator which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態に係る量子回路システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the quantum circuit system which concerns on 5th Embodiment of this invention.

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In each figure, those with the same reference numerals have the same or similar configurations.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る量子回路システム100の構成を示す図である。量子回路システム100は、制御装置10と、冷凍機20と、古典計算装置であるFPGA(Field-Programmable Gate Array)31と、古典計算装置であるASIC(Application Specific Integrated Circuit)32とを備える。また、量子回路システム100は、冷凍機20の内部に、第1回路21及び第2回路を備える。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a quantum circuit system 100 according to a first embodiment of the present invention. The quantum circuit system 100 includes a control device 10, a refrigerator 20, an FPGA (Field-Programmable Gate Array) 31 which is a classical computer, and an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 32 which is a classical computer. Further, the quantum circuit system 100 includes a first circuit 21 and a second circuit inside the refrigerator 20.

制御装置10は、古典計算を行う第3回路に相当するCPU(Central Processing Unit)10aと、記憶部に相当するRAM(Random Access Memory)10bと、記憶部に相当するROM(Read only Memory)10cと、通信部10dと、入力部10eと、表示部10fと、コントローラ10gと、インターフェース10hと、を有する。これらの各構成は、バスを介して相互にデータ送受信可能に接続される。なお、本例では制御装置10が一台のコンピュータで構成される場合について説明するが、制御装置10は、複数のコンピュータが組み合わされて実現されてもよい。また、図1で示す構成は一例であり、制御装置10はこれら以外の構成を有してもよいし、これらの構成のうち一部を有さなくてもよい。 The controller 10 includes a CPU (Central Processing Unit) 10a corresponding to a third circuit that performs classical calculation, a RAM (Random Access Memory) 10b corresponding to a storage unit, and a ROM (Read only Memory) 10c corresponding to the storage unit. It has a communication unit 10d, an input unit 10e, a display unit 10f, a controller 10g, and an interface 10h. Each of these configurations is connected to each other via a bus so that data can be transmitted and received. In this example, the case where the control device 10 is composed of one computer will be described, but the control device 10 may be realized by combining a plurality of computers. Further, the configuration shown in FIG. 1 is an example, and the control device 10 may have configurations other than these, or may not have a part of these configurations.

CPU10aは、RAM10b又はROM10cに記憶されたプログラムの実行に関する制御やデータの演算、加工を行い、第1回路21及び第2回路を制御するプログラムを実行する演算部である。CPU10aは、入力部10eや通信部10dから種々のデータを受け取り、データの演算結果を表示部10fに表示したり、RAM10bに格納したりする。 The CPU 10a is a calculation unit that controls execution of a program stored in the RAM 10b or ROM 10c, calculates and processes data, and executes a program that controls the first circuit 21 and the second circuit. The CPU 10a receives various data from the input unit 10e and the communication unit 10d, displays the calculation result of the data on the display unit 10f, and stores the data in the RAM 10b.

RAM10bは、記憶部のうちデータの書き換えが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。RAM10bは、CPU10aが実行するプログラム、冷凍機20の制御スケジュールといったデータを記憶してよい。なお、これらは例示であって、RAM10bには、これら以外のデータが記憶されていてもよいし、これらの一部が記憶されていなくてもよい。 The RAM 10b is a storage unit capable of rewriting data, and may be composed of, for example, a semiconductor storage element. The RAM 10b may store data such as a program executed by the CPU 10a and a control schedule of the refrigerator 20. It should be noted that these are examples, and data other than these may be stored in the RAM 10b, or a part of these may not be stored.

ROM10cは、記憶部のうちデータの読み出しが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ROM10cは、例えばCPU10aが実行するプログラムや、書き換えが行われないデータを記憶してよい。 The ROM 10c is a storage unit capable of reading data, and may be composed of, for example, a semiconductor storage element. The ROM 10c may store, for example, a program executed by the CPU 10a or data that is not rewritten.

通信部10dは、制御装置10を他の機器に接続するインターフェースである。通信部10dは、インターネット等の通信ネットワークに接続されてよい。 The communication unit 10d is an interface for connecting the control device 10 to another device. The communication unit 10d may be connected to a communication network such as the Internet.

入力部10eは、ユーザからデータの入力を受け付けるものであり、例えば、キーボード及びタッチパネルを含んでよい。 The input unit 10e receives data input from the user, and may include, for example, a keyboard and a touch panel.

表示部10fは、CPU10aによる演算結果を視覚的に表示するものであり、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)により構成されてよい。表示部10fは、第1回路21、第2回路22、FPGA31及びASIC32による演算結果を表示してよい。 The display unit 10f visually displays the calculation result by the CPU 10a, and may be configured by, for example, an LCD (Liquid Crystal Display). The display unit 10f may display the calculation result by the first circuit 21, the second circuit 22, the FPGA 31 and the ASIC 32.

コントローラ10gは、インターフェース10hを介して、第1回路21、第2回路22、FPGA31及びASIC32に対して制御信号を送信したり、演算結果を受信したりする。 The controller 10g transmits a control signal to the first circuit 21, the second circuit 22, the FPGA 31 and the ASIC 32 via the interface 10h, and receives the calculation result.

CPU10aが実行するプログラムは、RAM10bやROM10c等のコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供されてもよいし、通信部10dにより接続される通信ネットワークを介して提供されてもよい。制御装置10では、CPU10aが当該プログラムを実行することにより、後述する選択部及び制御部の動作が実現される。なお、これらの物理的な構成は例示であって、必ずしも独立した構成でなくてもよい。例えば、制御装置10は、CPU10aとRAM10bやROM10cが一体化したLSI(Large-Scale Integration)を備えていてもよい。 The program executed by the CPU 10a may be stored in a storage medium readable by a computer such as a RAM 10b or a ROM 10c and provided, or may be provided via a communication network connected by the communication unit 10d. In the control device 10, the operation of the selection unit and the control unit, which will be described later, is realized by the CPU 10a executing the program. It should be noted that these physical configurations are examples and do not necessarily have to be independent configurations. For example, the control device 10 may include an LSI (Large-Scale Integration) in which the CPU 10a and the RAM 10b or ROM 10c are integrated.

図2は、第1実施形態に係る冷凍機20の構成を示す図である。冷凍機20は、mK程度の低温を実現できる冷凍機であり、例えばHe−He希釈冷凍法を用いた冷凍機であってよい。冷凍機20は、第1温度に調整される第1ステージ24及び第1温度より低い第2温度に調整される第2ステージ26を有する。本例では、第1温度は4K(より正確には、大気圧化でのHe液体の沸点である4.2K)であり、第2温度は、He−He希釈冷凍法により実現される数mK〜数十mKである。本実施形態に係る冷凍機20は、中間ステージ25を有し、その温度は0.1K程度となる。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the refrigerator 20 according to the first embodiment. The refrigerator 20 is a refrigerator capable of realizing a low temperature of about mK, and may be, for example, a refrigerator using a 3 He-4 He dilution refrigeration method. The refrigerator 20 has a first stage 24 adjusted to a first temperature and a second stage 26 adjusted to a second temperature lower than the first temperature. In this example, the first temperature is 4K (more accurately, 4.2K, which is the boiling point of the 4 He liquid at atmospheric pressure), and the second temperature is realized by the 3 He-4 He dilution refrigeration method. It is several mK to several tens of mK. The refrigerator 20 according to the present embodiment has an intermediate stage 25, and the temperature thereof is about 0.1 K.

第1回路21は、第1ステージ24に設置され、超伝導状態で量子効果又は熱的効果を用いた演算を行う。より具体的には、第1回路21は、第1温度が第1回路21を構成する超伝導材料の超伝導転移温度以下である場合に、量子アニーリング又は熱的アニーリングを用いた演算を行う回路を含む。第1回路21を構成する超伝導材料は、例えばニオブであり、その超伝導転移温度は9.2Kである。そのため、第1回路21を構成する超伝導材料がニオブであり、第1温度が4Kである場合、第1回路21は、超伝導状態で量子効果を用いた量子アニーリング又は熱的効果を用いた古典的アニーリングによる計算を行う。 The first circuit 21 is installed in the first stage 24 and performs an operation using a quantum effect or a thermal effect in a superconducting state. More specifically, the first circuit 21 is a circuit that performs an operation using quantum annealing or thermal annealing when the first temperature is equal to or lower than the superconducting transition temperature of the superconducting material constituting the first circuit 21. including. The superconducting material constituting the first circuit 21 is, for example, niobium, and its superconducting transition temperature is 9.2K. Therefore, when the superconducting material constituting the first circuit 21 is niobium and the first temperature is 4K, the first circuit 21 uses quantum annealing or thermal effect using the quantum effect in the superconducting state. Perform classical annealing calculations.

第1回路21を構成する超伝導材料がニオブであり、第1回路21を中間ステージ25に設置する場合、第1温度は0.1Kであり、第1回路21は、超伝導状態で量子アニーリングを用いた演算を行う。また、第1回路21を構成する超伝導材料の超伝導転移温度が4.2K以下である場合、第1回路を第1ステージ24に設置する場合であっても、第1回路21は、量子アニーリングを用いた演算を行うことがある。 When the superconducting material constituting the first circuit 21 is niobium and the first circuit 21 is installed on the intermediate stage 25, the first temperature is 0.1K, and the first circuit 21 is quantum annealing in a superconducting state. Perform the calculation using. Further, when the superconducting transition temperature of the superconducting material constituting the first circuit 21 is 4.2 K or less, even when the first circuit is installed in the first stage 24, the first circuit 21 is quantum. Calculations using annealing may be performed.

第2回路22は、第2ステージ26に設置され、超伝導状態で演算を行う。第2回路22は、量子効果を用いた演算を行う。より具体的には、第2回路22は、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う量子回路を含む。第2回路22は、汎用量子計算機であり、第1回路21は、特定の問題(例えば組み合わせ最適化問題)を解くことに特化した専用量子計算機である。 The second circuit 22 is installed in the second stage 26 and performs calculations in a superconducting state. The second circuit 22 performs an operation using a quantum effect. More specifically, the second circuit 22 includes a quantum circuit that performs quantum computation by combining quantum gates. The second circuit 22 is a general-purpose quantum computer, and the first circuit 21 is a dedicated quantum computer specialized in solving a specific problem (for example, a combinatorial optimization problem).

第1回路21及び第2回路22は、冷凍機20の外部に繋がる同軸ケーブル23によって制御装置10から高周波制御信号を受け取り、演算結果を制御装置10に伝送する。また、第1回路21は、磁気シールド27で覆われ、第2回路22は、磁気シールド28で覆われる。磁気シールド27は設けなくてもよい。また、磁気シールド28は設けなくてもよい。同軸ケーブル23は、ノイズを避けるために信号線とグランド線が周期的に交差された構造(ツイステッド・ペア)であってもよい。 The first circuit 21 and the second circuit 22 receive the high frequency control signal from the control device 10 by the coaxial cable 23 connected to the outside of the refrigerator 20, and transmit the calculation result to the control device 10. Further, the first circuit 21 is covered with the magnetic shield 27, and the second circuit 22 is covered with the magnetic shield 28. The magnetic shield 27 may not be provided. Further, the magnetic shield 28 may not be provided. The coaxial cable 23 may have a structure (twisted pair) in which a signal line and a ground line are periodically intersected in order to avoid noise.

このように、本実施形態に係る量子回路システム100によれば、単一の冷凍機20が有する異なるステージに第1回路21及び第2回路22を設置することで、2つの量子回路を動作させるコストを低減することができる。 As described above, according to the quantum circuit system 100 according to the present embodiment, the two quantum circuits are operated by installing the first circuit 21 and the second circuit 22 on different stages of the single refrigerator 20. The cost can be reduced.

図3は、第1実施形態に係る第1回路21の回路図である。第1回路21は、量子ビット(Tunable qubit)を構成する回路と、読出回路(Read-out)とを含み、全体が磁気シールド27で覆われている。量子ビットを構成する回路及び読み出し回路には、同軸ケーブル23がフィルタ23aを介して電磁気的に接続され、DC/AC入力(DC/AC in)が量子ビットを構成する回路及び読み出し回路に入力される。また、読出回路の出力は、アンプ23bによる増幅を経てDC/AC出力(DC/AC out)として同軸ケーブル23に出力される。なお、図3において、同軸ケーブル23は差動線路で記載している。同軸ケーブル23は、コイルに磁束を印加する部分をこえた後、ケーブルが折り返す表現として図示している。 FIG. 3 is a circuit diagram of the first circuit 21 according to the first embodiment. The first circuit 21 includes a circuit constituting a quantum bit (Tunable qubit) and a read circuit (Read-out), and is entirely covered with a magnetic shield 27. A coaxial cable 23 is electromagnetically connected to the circuit and the readout circuit constituting the qubit, and a DC / AC input (DC / AC in) is input to the circuit and the readout circuit constituting the qubit. NS. Further, the output of the read circuit is output to the coaxial cable 23 as a DC / AC output (DC / AC out) after being amplified by the amplifier 23b. In FIG. 3, the coaxial cable 23 is described as a differential line. The coaxial cable 23 is illustrated as an expression in which the cable folds back after exceeding the portion where the magnetic flux is applied to the coil.

図4は、第1実施形態に係る第2回路22の回路図である。第2回路22は、読出回路に相当するJPA(Josephson Parametric Amplifier)と共振器(Cavity)と,量子ビット(Qubit)を構成するトランズモンとを含み、共振器及びトランズモンが磁気シールド28で覆われている。JPAには、複数のフィルタ23aを介してDC入力(DC in)による誘導磁場(DC magnetic field)が印加され、RF入力(RF in)が入力される。なお、線路にグランドを記載したが、差動線路としてもよい。トランズモンの量子状態をJPAで増幅して読み出し、複数のサーキュレータ23c及びアンプ23bを介してRF出力(RF out)を同軸ケーブル23に出力する。JPAではなく、別のアンプを用いて信号の増幅を行ってもよい。例えば、HEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)の低ノイズアンプが0.1Kのステージに置かれる場合があってもよい。また、磁気シールド28に覆われた共振器及びトランズモンには、複数のフィルタ23a及びサーキュレータ23cを介してRF入力(RF in)が入力される。 FIG. 4 is a circuit diagram of the second circuit 22 according to the first embodiment. The second circuit 22 includes a JPA (Josephson Parametric Amplifier) corresponding to a read circuit, a resonator (Cavity), and a transmon constituting a qubit, and the resonator and the transmon are covered with a magnetic shield 28. There is. An induced magnetic field (DC magnetic field) by a direct current input (DC in) is applied to the JPA through a plurality of filters 23a, and an RF input (RF in) is input. Although the ground is described on the line, it may be a differential line. The quantum state of Transmon is amplified by JPA and read out, and RF output (RF out) is output to the coaxial cable 23 via a plurality of circulators 23c and amplifiers 23b. The signal may be amplified by using another amplifier instead of JPA. For example, a HEMT (High Electron Mobility Transistor) low noise amplifier may be placed on a stage of 0.1K. Further, an RF input (RF in) is input to the resonator and the transmon covered with the magnetic shield 28 via a plurality of filters 23a and a circulator 23c.

図5は、第1実施形態に係る量子回路システム100により実行されるアルゴリズム選択処理のフローチャートである。本実施形態に係る制御装置10は、与えられた問題を識別し、古典計算アルゴリズム及び量子計算アルゴリズムを含む複数のアルゴリズムのいずれを用いて問題を解くか選択する選択部と、選択されたアルゴリズムに応じて、第1回路21又は第2回路22による演算を制御する制御部と、を有する。さらに、本実施形態に係る量子回路システム100は、古典計算を行う第3回路を備える古典計算装置(本実施形態ではFPGA31及びASIC32)をさらに備え、制御装置10の制御部は、選択されたアルゴリズムに応じて、第1回路21、第2回路22又は第3回路による演算を制御する。制御装置10の選択部及び制御部は、CPU10aによって所定のプログラムを実行することにより実現される。 FIG. 5 is a flowchart of the algorithm selection process executed by the quantum circuit system 100 according to the first embodiment. The control device 10 according to the present embodiment has a selection unit that identifies a given problem and selects which of a plurality of algorithms including a classical calculation algorithm and a quantum calculation algorithm is used to solve the problem, and the selected algorithm. Correspondingly, it has a control unit that controls an operation by the first circuit 21 or the second circuit 22. Further, the quantum circuit system 100 according to the present embodiment further includes a classical computing device (FPGA31 and ASIC32 in the present embodiment) including a third circuit for performing classical calculation, and the control unit of the control device 10 is a selected algorithm. The calculation by the first circuit 21, the second circuit 22, or the third circuit is controlled according to the above. The selection unit and the control unit of the control device 10 are realized by executing a predetermined program by the CPU 10a.

はじめに、制御装置10は、問題を読み込み(S10)、ラベリングされたデータがある場合(S11:YES)、制御装置10のCPU10a、FPGA31及びASIC32の少なくともいずれかを含む第3回路によって機械学習を実行する(S12)。ここで、機械学習は、データのラベルを用いた教師あり学習であってよい。 First, the control device 10 reads the problem (S10), and if there is labeled data (S11: YES), performs machine learning by a third circuit including at least one of the CPU 10a, FPGA 31 and ASIC 32 of the control device 10. (S12). Here, machine learning may be supervised learning using data labels.

一方、ラベリングされたデータがなく(S11:NO)、評価関数を作成する場合(S13:YES)、制御装置10のCPU10a、FPGA31及びASIC32の少なくともいずれかを含む第3回路によって遺伝的アルゴリズムを実行する(S14)。なお、この場合、第3回路によって、リザーバーコンピューティングや強化学習を実行してもよい。 On the other hand, when there is no labeled data (S11: NO) and an evaluation function is created (S13: YES), the genetic algorithm is executed by the third circuit including at least one of the CPU 10a, FPGA 31 and ASIC 32 of the control device 10. (S14). In this case, reservoir computing or reinforcement learning may be executed by the third circuit.

また、評価関数を作成せず(S13:NO)、ハミルトニアンを作成して古典計算を行う場合(S15:YES)、制御装置10のCPU10a、FPGA31及びASIC32の少なくともいずれかを含む第3回路によって量子シミュレーション又はシミュレーテッドアニーリングを実行する(S16)。 Further, when the evaluation function is not created (S13: NO) and the Hamiltonian is created to perform the classical calculation (S15: YES), the quantum is measured by the third circuit including at least one of the CPU 10a, FPGA 31 and ASIC 32 of the control device 10. Perform simulated annealing or simulated annealing (S16).

一方、ハミルトニアンを作成して古典計算を行わないが(S15:NO)、問題が所定のハミルトニアンで表現できる場合(S17:YES)、第1回路21によって量子アニーリングを実行する(S18)。なお、第1回路21が設置される環境が第1回路21を構成する超伝導材料の超伝導転移温度以下でない場合、第1回路21によって古典的アニーリングを実行する。また、所定のハミルトニアンは、例えば、A. Lucas, "Ising formulations of many NP problems," Front. Physics 2:5, 2014に列挙されたハミルトニアンであってよい。イジングモデルでハミルトニアンが記載される場合、第1回路21によって処理することが好ましい。 On the other hand, when a Hamiltonian is created and classical calculation is not performed (S15: NO), but the problem can be expressed by a predetermined Hamiltonian (S17: YES), quantum annealing is performed by the first circuit 21 (S18). If the environment in which the first circuit 21 is installed is not equal to or lower than the superconducting transition temperature of the superconducting material constituting the first circuit 21, the first circuit 21 performs classical annealing. Further, the predetermined Hamiltonian may be, for example, the Hamiltonian listed in A. Lucas, "Ising formulations of many NP problems," Front. Physics 2: 5, 2014. When the Hamiltonian is described in the Ising model, it is preferably processed by the first circuit 21.

最後に、問題が所定のハミルトニアンで表現できない場合(S17:NO)、第2回路22によって量子ゲート型の量子計算を実行する(S19)。なお、以上のフローチャートは例示であり、量子回路システム100は、異なる判定基準を用いてアルゴリズムを選択し、第1回路21、第2回路22又は第3回路による演算を制御してよい。 Finally, if the problem cannot be represented by a given Hamiltonian (S17: NO), a quantum gate type quantum calculation is performed by the second circuit 22 (S19). The above flowchart is an example, and the quantum circuit system 100 may select an algorithm using different determination criteria and control the calculation by the first circuit 21, the second circuit 22, or the third circuit.

本実施形態に係る量子回路システム100によれば、与えられた問題に応じて適切なアルゴリズムを選択し、そのアルゴリズムの実行に適した回路を用いて効率的に問題を解くことができる。また、量子回路システム100は、与えられた問題に応じて、古典計算機を用いるか、量子アニーリングマシンを用いるか、汎用のゲート型量子計算機を用いるかを選択することができ、効率的に問題を解くことができる。 According to the quantum circuit system 100 according to the present embodiment, an appropriate algorithm can be selected according to a given problem, and the problem can be efficiently solved by using a circuit suitable for executing the algorithm. Further, the quantum circuit system 100 can select whether to use a classical computer, a quantum annealing machine, or a general-purpose gated quantum computer according to a given problem, and can efficiently solve the problem. Can be solved.

図6は、第1実施形態に係る量子回路システム100によるエラー訂正を模式的に示す図である。制御装置10の制御部は、第2回路22による演算を行う場合に、第1回路21によりエラー検出を行い、エラーが検出された箇所に対応する第2回路22の量子状態をエラー訂正するように制御する。 FIG. 6 is a diagram schematically showing error correction by the quantum circuit system 100 according to the first embodiment. When performing an operation by the second circuit 22, the control unit of the control device 10 detects an error by the first circuit 21 and corrects the quantum state of the second circuit 22 corresponding to the location where the error is detected. To control.

図6に示すように、宇宙線が冷凍機20を透過して第1回路21及び第2回路22を通過すると、通過経路に位置する量子ビットの量子状態が破壊又は擾乱されることがある。そこで、制御装置10の制御部は、第2回路22による演算を行う場合に、第1回路21の複数の量子ビットの量子状態を所定の状態に揃えておき、定期的にその量子状態が変化していないか観測する。第1回路21の複数の量子ビットいずれかの量子状態が変化した場合、第1回路21においてエラーが生じた位置とタイミングに基づいて、第2回路22の量子ビットについてエラー訂正処理を行う。このようにして、適切なエラー訂正を行い、第2回路22の演算におけるエラー率を低下させることができる。なお、量子アニーリングを用いる第1回路21の量子ビットの密度(単位面積あたりの量子ビット数)は、量子ゲート型の第2回路22の量子ビットの密度より高い場合が多く、第1回路21においてエラーが生じた位置は、比較的正確に特定することができる。 As shown in FIG. 6, when cosmic rays pass through the refrigerator 20 and pass through the first circuit 21 and the second circuit 22, the quantum state of the qubit located in the passage path may be destroyed or disturbed. Therefore, when the control unit of the control device 10 performs the calculation by the second circuit 22, the quantum states of the plurality of qubits of the first circuit 21 are arranged in a predetermined state, and the quantum states are periodically changed. Observe if it is not done. When the quantum state of any of the plurality of qubits in the first circuit 21 changes, error correction processing is performed on the qubits in the second circuit 22 based on the position and timing at which the error occurred in the first circuit 21. In this way, appropriate error correction can be performed and the error rate in the calculation of the second circuit 22 can be reduced. The density of the qubits (the number of qubits per unit area) of the first circuit 21 using quantum annealing is often higher than the density of the qubits of the quantum gate type second circuit 22. The location where the error occurred can be identified relatively accurately.

図7は、第1実施形態の変形例に係る第1回路21の回路図である。変形例に係る第1回路21は、量子ビット(Qubit)を構成する回路と、QFP(Quantum Flux Parametron)と、読出回路に相当するReadout SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)とを含む。なお、本変形例は例示であり、第1回路21は他の構成を有してもよい。 FIG. 7 is a circuit diagram of the first circuit 21 according to the modified example of the first embodiment. The first circuit 21 according to the modified example includes a circuit constituting a qubit, a QFP (Quantum Flux Parametron), and a Readout SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) corresponding to a read circuit. It should be noted that this modification is an example, and the first circuit 21 may have another configuration.

[第2実施形態]
図8は、本発明の第2実施形態に係る冷凍機20の構成を示す図である。本実施形態に係る冷凍機20には、第1回路21a及び第2回路22aが設置される。冷凍機20の第1ステージ24には、第1温度が第1回路21aを構成する超伝導材料の超伝導転移温度以下である場合に、超伝導状態で量子アニーリング又は古典的アニーリングを用いた演算を行う第1回路21aが設置される。また、冷凍機20の第2ステージ26には、第2温度が第2回路22aを構成する超伝導材料の超伝導転移温度以下である場合に、超伝導状態で量子アニーリング又は古典的アニーリングを用いた演算を行う第2回路22aが設置される。すなわち、本実施形態に係る冷凍機20の第2ステージ26には、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う量子回路ではなく、量子アニーリングを用いた演算を行う第2回路22aが設置される。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the refrigerator 20 according to the second embodiment of the present invention. A first circuit 21a and a second circuit 22a are installed in the refrigerator 20 according to the present embodiment. In the first stage 24 of the refrigerator 20, when the first temperature is equal to or lower than the superconducting transition temperature of the superconducting material constituting the first circuit 21a, the calculation using quantum annealing or classical annealing in the superconducting state is performed. The first circuit 21a is installed. Further, in the second stage 26 of the refrigerator 20, when the second temperature is equal to or lower than the superconducting transition temperature of the superconducting material constituting the second circuit 22a, quantum annealing or classical annealing is used in the superconducting state. The second circuit 22a that performs the calculated calculation is installed. That is, in the second stage 26 of the refrigerator 20 according to the present embodiment, a second circuit 22a that performs an operation using quantum annealing is installed instead of a quantum circuit that performs quantum calculation by combining quantum gates.

本実施形態に係る量子回路システム100によれば、単一の冷凍機が有する異なるステージに2つの量子アニーリング回路を設置することで、2つの量子アニーリング回路を動作させるコストを低減することができる。 According to the quantum circuit system 100 according to the present embodiment, by installing two quantum annealing circuits on different stages of a single refrigerator, it is possible to reduce the cost of operating the two quantum annealing circuits.

[第3実施形態]
図9は、本発明の第3実施形態に係る冷凍機20の構成を示す図である。本実施形態に係る冷凍機20には、第1回路21b及び第2回路22bが設置される。冷凍機20の第1ステージ24には、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う第1回路21bが設置される。また、冷凍機20の第2ステージ26には、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う第2回路22bが設置される。すなわち、本実施形態に係る冷凍機20の第1ステージ24には、量子アニーリングを用いた演算を行う量子回路ではなく、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う第2回路22bが設置される。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the refrigerator 20 according to the third embodiment of the present invention. A first circuit 21b and a second circuit 22b are installed in the refrigerator 20 according to the present embodiment. In the first stage 24 of the refrigerator 20, a first circuit 21b that performs quantum calculation by combining quantum gates is installed. Further, in the second stage 26 of the refrigerator 20, a second circuit 22b that performs quantum calculation by combining quantum gates is installed. That is, in the first stage 24 of the refrigerator 20 according to the present embodiment, a second circuit 22b that performs quantum calculation by combining quantum gates is installed instead of a quantum circuit that performs calculation using quantum annealing.

本実施形態に係る量子回路システム100によれば、単一の冷凍機が有する異なるステージに2つの量子ゲート型量子回路を設置することで、2つの量子ゲート型量子回路を動作させるコストを低減することができる。 According to the quantum circuit system 100 according to the present embodiment, by installing two quantum gate type quantum circuits on different stages of a single refrigerator, the cost of operating the two quantum gate type quantum circuits is reduced. be able to.

[第4実施形態]
図10は、本発明の第4実施形態に係る冷凍機20の構成を示す図である。本実施形態に係る冷凍機20には、第1回路21及び第2回路22が設置される。ここで、第1回路21は、量子アニーリング回路であってもよいし、量子ゲート型量子回路であってもよい。また、第2回路22は、量子アニーリング回路であってもよいし、量子ゲート型量子回路であってもよい。本実施形態の冷凍機20の第1ステージ24には、第2回路22を制御する制御パルスを出力するパルス源29が設置される。第1ステージ24に量子アニーリング回路を置くと共に、パルス源を設置する場合、アニーリング回路とパルス源はそれぞれ異なるチップで形成してもよい。一方で、量子アニーリング回路とパルス源は、同一のプロセスで作製することができるため、同一チップに形成することもできる。この場合、チップ内の実装面積を有効に活用することができる。また、パルス源と量子アニーリング回路をプロセスで形成した線路でつなぐことができるため、異なるチップで形成した時に生じるような接続による損失を防ぐことができる。パルス源からの制御パルスは第2回路22の駆動に用いることもできる。
[Fourth Embodiment]
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the refrigerator 20 according to the fourth embodiment of the present invention. A first circuit 21 and a second circuit 22 are installed in the refrigerator 20 according to the present embodiment. Here, the first circuit 21 may be a quantum annealing circuit or a quantum gate type quantum circuit. Further, the second circuit 22 may be a quantum annealing circuit or a quantum gate type quantum circuit. A pulse source 29 that outputs a control pulse for controlling the second circuit 22 is installed in the first stage 24 of the refrigerator 20 of the present embodiment. When the quantum annealing circuit is placed in the first stage 24 and the pulse source is installed, the annealing circuit and the pulse source may be formed by different chips. On the other hand, since the quantum annealing circuit and the pulse source can be manufactured by the same process, they can be formed on the same chip. In this case, the mounting area in the chip can be effectively utilized. Further, since the pulse source and the quantum annealing circuit can be connected by a line formed by the process, it is possible to prevent the loss due to the connection that occurs when the pulse source and the quantum annealing circuit are formed by different chips. The control pulse from the pulse source can also be used to drive the second circuit 22.

本実施形態に係る量子回路システム100によれば、パルス源29を第1ステージ24に設置することで、制御パルスのノイズを低減し、第2回路22の演算におけるエラー率をより低減させることができる。なお、パルス源29は、中間ステージ25に設置してもよい。また、第1回路21を中間ステージ25に設置し、パルス源29を第1ステージ24に設置してもよい。 According to the quantum circuit system 100 according to the present embodiment, by installing the pulse source 29 in the first stage 24, it is possible to reduce the noise of the control pulse and further reduce the error rate in the calculation of the second circuit 22. can. The pulse source 29 may be installed on the intermediate stage 25. Further, the first circuit 21 may be installed in the intermediate stage 25, and the pulse source 29 may be installed in the first stage 24.

[第5実施形態]
図11は、本発明の第5実施形態に係る量子回路システム100の構成を示す図である。量子回路システム100は、ユーザ端末40を含む点で第1実施形態に係る量子回路システム100と相違する。その他の点について、第5実施形態に係る量子回路システム100は、第1実施形態に係る量子回路システム100と同様の構成を有する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a quantum circuit system 100 according to a fifth embodiment of the present invention. The quantum circuit system 100 is different from the quantum circuit system 100 according to the first embodiment in that the user terminal 40 is included. Regarding other points, the quantum circuit system 100 according to the fifth embodiment has the same configuration as the quantum circuit system 100 according to the first embodiment.

本実施形態において、制御装置10及びユーザ端末40は、インターネット、ローカルネットワーク又は有線ケーブル等の通信ネットワークNを介して互いに通信可能に接続される。量子回路システム100のユーザは、汎用の古典コンピュータで構成されるユーザ端末40を用いて制御装置10にデータを入力したり、第1回路21、第2回路22、FPGA31及びASIC32によって行われた古典計算又は量子計算の結果を、制御装置10を介して取得したりする。 In the present embodiment, the control device 10 and the user terminal 40 are communicably connected to each other via a communication network N such as the Internet, a local network, or a wired cable. The user of the quantum circuit system 100 inputs data to the control device 10 by using the user terminal 40 composed of a general-purpose classical computer, or the classic performed by the first circuit 21, the second circuit 22, the FPGA 31 and the ASIC 32. The result of the calculation or the quantum calculation is acquired via the control device 10.

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。 The embodiments described above are for facilitating the understanding of the present invention, and are not for limiting the interpretation of the present invention. Each element included in the embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those exemplified, and can be appropriately changed. Further, it is possible to partially replace or combine the configurations shown in different embodiments.

10…制御装置、10a…CPU、10b…RAM、10c…ROM、10d…通信部、10e…入力部、10f…表示部、10g…コントローラ、10h…インターフェース、20…冷凍機、21,21a,21b…第1回路、22,22a,22b…第2回路、23…同軸ケーブル、23a…フィルタ、23b…アンプ、23c…サーキュレータ、24…第1ステージ、25…中間ステージ、26…第2ステージ、27…磁気シールド、28…磁気シールド、29…パルス源、31…FPGA、32…ASIC、40…ユーザ端末、100…量子回路システム 10 ... Control device, 10a ... CPU, 10b ... RAM, 10c ... ROM, 10d ... Communication unit, 10e ... Input unit, 10f ... Display unit, 10g ... Controller, 10h ... Interface, 20 ... Refrigerator, 21,21a, 21b ... 1st circuit, 22, 22a, 22b ... 2nd circuit, 23 ... Coaxial cable, 23a ... Filter, 23b ... Amplifier, 23c ... Circulator, 24 ... 1st stage, 25 ... Intermediate stage, 26 ... 2nd stage, 27 ... Magnetic shield, 28 ... Magnetic shield, 29 ... Pulse source, 31 ... FPGA, 32 ... ASIC, 40 ... User terminal, 100 ... Quantum circuit system

Claims (7)

第1温度に調整される第1ステージ及び前記第1温度より低い第2温度に調整される第2ステージを有する冷凍機と、
前記第1ステージに設置され、超伝導状態で量子効果又は熱的効果を用いた演算を行う第1回路と、
前記第2ステージに設置され、超伝導状態で量子効果を用いた演算を行う第2回路と、
前記第1回路及び前記第2回路を制御する制御装置と、
を備える量子回路システム。
A refrigerator having a first stage adjusted to a first temperature and a second stage adjusted to a second temperature lower than the first temperature.
The first circuit installed in the first stage and performing operations using quantum effects or thermal effects in a superconducting state,
A second circuit installed in the second stage and performing operations using quantum effects in a superconducting state,
A control device that controls the first circuit and the second circuit,
Quantum circuit system with.
前記制御装置は、
与えられた問題を識別し、古典計算アルゴリズム及び量子計算アルゴリズムを含む複数のアルゴリズムのいずれを用いて前記問題を解くか選択する選択部と、
選択されたアルゴリズムに応じて、前記第1回路又は前記第2回路による演算を制御する制御部と、を有する、
請求項1に記載の量子回路システム。
The control device is
A selection unit that identifies a given problem and selects whether to solve the problem using a plurality of algorithms including a classical calculation algorithm and a quantum calculation algorithm.
It has a control unit that controls operations by the first circuit or the second circuit according to the selected algorithm.
The quantum circuit system according to claim 1.
古典計算を行う第3回路を備える古典計算装置をさらに備え、
前記制御部は、選択されたアルゴリズムに応じて、前記第1回路、前記第2回路又は前記第3回路による演算を制御する、
請求項2に記載の量子回路システム。
Further equipped with a classical arithmetic unit equipped with a third circuit for performing classical calculations,
The control unit controls operations by the first circuit, the second circuit, or the third circuit according to the selected algorithm.
The quantum circuit system according to claim 2.
前記第1回路は、前記第1温度が前記所定温度以下である場合に量子アニーリングを用いた演算を行う量子回路を含む、
請求項1から3のいずれか一項に記載の量子回路システム。
The first circuit includes a quantum circuit that performs an operation using quantum annealing when the first temperature is equal to or lower than the predetermined temperature.
The quantum circuit system according to any one of claims 1 to 3.
前記第2回路は、量子ゲートを組み合わせて量子計算を行う量子回路を含む、
請求項1から4のいずれか一項に記載の量子回路システム。
The second circuit includes a quantum circuit that performs quantum computation by combining quantum gates.
The quantum circuit system according to any one of claims 1 to 4.
前記制御部は、前記第2回路による演算を行う場合に、前記第1回路によりエラー検出を行い、エラーが検出された箇所に対応する前記第2回路の量子状態をエラー訂正するように制御する、
請求項1から5のいずれか一項に記載の量子回路システム。
The control unit detects an error by the first circuit when performing an operation by the second circuit, and controls so as to correct the quantum state of the second circuit corresponding to the location where the error is detected. ,
The quantum circuit system according to any one of claims 1 to 5.
前記第1ステージに設置され、前記第2回路を制御する制御パルスを出力するパルス源をさらに備える、
請求項1から6のいずれか一項に記載の量子回路システム。
A pulse source installed in the first stage and outputting a control pulse for controlling the second circuit is further provided.
The quantum circuit system according to any one of claims 1 to 6.
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