NTT物性科学基础研究所试制出最有希望成为量子计算机基本元件的“超导磁束量子位”，在通过微波照射大幅度提高比特控制自由度的同时，元件的工作频率也成功地提高到了原来的10倍～100倍。

　　外框为超导量子干涉(SQUID)检测仪

　　与其他候选的基本单元相比，超导磁束量子位具有量子状态容易持续保持、易于集成等优势。但此前由于控制手段的局限，在控制状态下的持续时间非常短。此次则消除了这一局限。这样一来，“就有望实现利用多个元件同时处理多项信息的量子纠缠(Quantum Entanglement)、进而实现构成AND与OXR等基本电路的控制NOT门。”(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跃迁的幅度，因此也为光控制的应用开辟了道路。也就是说，将光通信与此次开发的单元组合起来，如通过光纤网络就可以实现量子计算机间的协作。

　　通过量子位同时实现多种状态

　　量子计算机概括地讲，就是利用“隧道效应”等已知的量子力学效应来实现的超级并行计算机。在传统计算机上需要花费数年进行的计算放在量子计算机上可能只用数ms就能完成。

　　在向普通计算机输入数据时，在一个瞬间只能输入16位或32位等2进制的数据段。从位数来看，输入的只能是“0”或者“1”。区分并控制0与1当然只能利用晶体管等元件。

　　与此相反，量子计算机可以同时大批量地输入“0”与“1”。相当于晶体管的就是量子位(qubit：昆比特)。量子位有N个，利用它们间名为“entanglement(纠缠)”的相互作用状态，可同时输入的数据就有2的N次方个。假如量子位有40个的话，就可以同时在1组运算电路上计算约1万亿个输入参量。而普通计算机是不可能将1万亿台联接起来进行并行运算的。

　　通过铝布线的微细框实现人工原子

　　作为量子位的候选材料，除此次的超导磁束量子位外还有许多类型。如利用超导材料根据有无电流来区分状态的类型、采用对人体进行断面成像的医疗设备及有机化合物分析装置使用的NMR(核磁共振)装置产生的强烈磁场的类型、利用大小仅数十nm的微细半导体颗粒“量子位”内封存的电子的能量状态的类型，以及与电场组合起来将数个离子封闭在狭小空间内利用其振动模式的类型等。

　　在此前的研究中，美国IBM曾将7个NMR型量子位组合起来执行过简单的运算，但NMR型与离子阱(Ion Trap)型的尺寸在1m左右，集成化非常困难。在理论上也存在“使用10个以上的量子位时不能采用NMR型”(NTT物性研量子电子物性研究部超导量子物理研究部负责人仙场浩一)的限制。

　　NTT物性研此次使用的超导磁束量子位是用细微的铝线做成周长约6μm的四边形环框(图1)。实际上是根据Josephson结将3根铝线通过超薄绝缘膜组成环框。在框的外侧，用于检测的名为超导量子干涉(SQUID)检测仪的框仍使用铝布线。

　　将这一单元冷却到接近绝对零度(1.2K以下)时，铝布线呈现出超导状态。在这一状态下从外部向环框的法线方向施加一个微小的磁场，环框就同时产生一个左旋和右旋的电流(每个方向上约0.5μA)。对外部磁场的强度进行细微调整的话，左旋和右旋就会产生一个能量差。这一能量差就表现为“0”和“1”。

　　为设定输入数据并对运算进行控制，需要从外部对这种量子位进行自由控制。在控制中就使用前面提到的微波。将微波照射到单元上，微波与单元就产生共振，使单元的状态从能量低的基态(Ground State)瞬间变换到能量较高的激发态(Excitation State)(图2)。原来只能利用相当于特定波长1个微波光子的能量。NTT物性研此次将外部磁场控制与微波的能量结合起来，可以大大提高控制时使用的微波能量。

　　在照射电磁波后能量状态发生变化这一点上，这种单元与部分原子及分子、半导体是非常相似的。“原子与分子太小，难以按要求进行控制，而此次试制的单元大小正合适，类似可以进行控制和布线的巨型人工原子”(NTT物性研的仙场浩一)。

　工作频率为10GHz，寿命短也无妨

　　在量子位的控制中，不仅是能量状态，还要控制量子状态的相位等参量。这种控制同样也是由微波照射来实现的，但照射时间及周期与能量状态控制方式不同。NTT物性研此次对照射顺序进行了研究，开发出了新的相位控制方法。将这种方法与“拉姆塞干涉”法组成起来，可以将相当于微处理器时钟的量子位的运行速度提高到11.4GHz。

　　只要时钟实现高速化，就可以很短时间内完成大量运算。超导磁束量子位为固体单元，在易于集成的同时，也存在激发态的保持时间只有非常短的数ms这一课题。10GHz左右的运行速度与原来的方法相比提高了10倍～100倍，“即使量子位的寿命只有1ms，这期间也能进行100万次的运算”(东京理科大学联合大学院教授及东京大学尖端科学技术中心客座教授、NTT物性研所长高柳英明)。