NTT物性科學基礎(chǔ)研究所試制出最有希望成為量子計算機基本元件的“超導磁束量子位”，在通過微波照射大幅度提高比特控制自由度的同時，元件的工作頻率也成功地提高到了原來的10倍～100倍。

　　外框為超導量子干涉(SQUID)檢測儀

　　與其他候選的基本單元相比，超導磁束量子位具有量子狀態(tài)容易持續(xù)保持、易于集成等優(yōu)勢。但此前由于控制手段的局限，在控制狀態(tài)下的持續(xù)時間非常短。此次則消除了這一局限。這樣一來，“就有望實現(xiàn)利用多個元件同時處理多項信息的量子糾纏(Quantum Entanglement)、進而實現(xiàn)構(gòu)成AND與OXR等基本電路的控制NOT門�！�(NTT物性研)

　　此次用于比特控制的是能量比光更低的微波，但仍能很好地控制能量躍遷的幅度，因此也為光控制的應(yīng)用開辟了道路。也就是說，將光通信與此次開發(fā)的單元組合起來，如通過光纖網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)量子計算機間的協(xié)作。

　　通過量子位同時實現(xiàn)多種狀態(tài)

　　量子計算機概括地講，就是利用“隧道效應(yīng)”等已知的量子力學效應(yīng)來實現(xiàn)的超級并行計算機。在傳統(tǒng)計算機上需要花費數(shù)年進行的計算放在量子計算機上可能只用數(shù)ms就能完成。

　　在向普通計算機輸入數(shù)據(jù)時，在一個瞬間只能輸入16位或32位等2進制的數(shù)據(jù)段。從位數(shù)來看，輸入的只能是“0”或者“1”。區(qū)分并控制0與1當然只能利用晶體管等元件。

　　與此相反，量子計算機可以同時大批量地輸入“0”與“1”。相當于晶體管的就是量子位(qubit：昆比特)。量子位有N個，利用它們間名為“entanglement(糾纏)”的相互作用狀態(tài)，可同時輸入的數(shù)據(jù)就有2的N次方個。假如量子位有40個的話，就可以同時在1組運算電路上計算約1萬億個輸入?yún)⒘�。而普通計算機是不可能將1萬億臺聯(lián)接起來進行并行運算的。

　　通過鋁布線的微細框?qū)崿F(xiàn)人工原子

　　作為量子位的候選材料，除此次的超導磁束量子位外還有許多類型。如利用超導材料根據(jù)有無電流來區(qū)分狀態(tài)的類型、采用對人體進行斷面成像的醫(yī)療設(shè)備及有機化合物分析裝置使用的NMR(核磁共振)裝置產(chǎn)生的強烈磁場的類型、利用大小僅數(shù)十nm的微細半導體顆�！傲孔游弧眱�(nèi)封存的電子的能量狀態(tài)的類型，以及與電場組合起來將數(shù)個離子封閉在狹小空間內(nèi)利用其振動模式的類型等。

　　在此前的研究中，美國IBM曾將7個NMR型量子位組合起來執(zhí)行過簡單的運算，但NMR型與離子阱(Ion Trap)型的尺寸在1m左右，集成化非常困難。在理論上也存在“使用10個以上的量子位時不能采用NMR型”(NTT物性研量子電子物性研究部超導量子物理研究部負責人仙場浩一)的限制。

　　NTT物性研此次使用的超導磁束量子位是用細微的鋁線做成周長約6μm的四邊形環(huán)框(圖1)。實際上是根據(jù)Josephson結(jié)將3根鋁線通過超薄絕緣膜組成環(huán)框。在框的外側(cè)，用于檢測的名為超導量子干涉(SQUID)檢測儀的框仍使用鋁布線。

　　將這一單元冷卻到接近絕對零度(1.2K以下)時，鋁布線呈現(xiàn)出超導狀態(tài)。在這一狀態(tài)下從外部向環(huán)框的法線方向施加一個微小的磁場，環(huán)框就同時產(chǎn)生一個左旋和右旋的電流(每個方向上約0.5μA)。對外部磁場的強度進行細微調(diào)整的話，左旋和右旋就會產(chǎn)生一個能量差。這一能量差就表現(xiàn)為“0”和“1”。

　　為設(shè)定輸入數(shù)據(jù)并對運算進行控制，需要從外部對這種量子位進行自由控制。在控制中就使用前面提到的微波。將微波照射到單元上，微波與單元就產(chǎn)生共振，使單元的狀態(tài)從能量低的基態(tài)(Ground State)瞬間變換到能量較高的激發(fā)態(tài)(Excitation State)(圖2)。原來只能利用相當于特定波長1個微波光子的能量。NTT物性研此次將外部磁場控制與微波的能量結(jié)合起來，可以大大提高控制時使用的微波能量。

　　在照射電磁波后能量狀態(tài)發(fā)生變化這一點上，這種單元與部分原子及分子、半導體是非常相似的�！霸优c分子太小，難以按要求進行控制，而此次試制的單元大小正合適，類似可以進行控制和布線的巨型人工原子”(NTT物性研的仙場浩一)。

　工作頻率為10GHz，壽命短也無妨

　　在量子位的控制中，不僅是能量狀態(tài)，還要控制量子狀態(tài)的相位等參量。這種控制同樣也是由微波照射來實現(xiàn)的，但照射時間及周期與能量狀態(tài)控制方式不同。NTT物性研此次對照射順序進行了研究，開發(fā)出了新的相位控制方法。將這種方法與“拉姆塞干涉”法組成起來，可以將相當于微處理器時鐘的量子位的運行速度提高到11.4GHz。

　　只要時鐘實現(xiàn)高速化，就可以很短時間內(nèi)完成大量運算。超導磁束量子位為固體單元，在易于集成的同時，也存在激發(fā)態(tài)的保持時間只有非常短的數(shù)ms這一課題。10GHz左右的運行速度與原來的方法相比提高了10倍～100倍，“即使量子位的壽命只有1ms，這期間也能進行100萬次的運算”(東京理科大學聯(lián)合大學院教授及東京大學尖端科學技術(shù)中心客座教授、NTT物性研所長高柳英明)。