超伝導量子コンピュータ

電気抵抗がゼロになることで知られる超伝導現象は、目に見えるサイズで発現するマクロな量子現象です。超伝導体を用いてインダクタLとキャパシタCからなるLC共振器を作ると、損失が非常に小さい共振器を作ることができます。また、薄い絶縁体を超伝導体で挟んだジョセフソン接合はクーパーペアの量子トンネル効果によって非線形なインダクタとして振る舞い、これを利用することで不均一な間隔の離散エネルギー準位を持つ人工原子が作れます。この巨大な人工原子の原子・原子間および原子・電磁波(マイクロ波)間の相互作用は普通の原子の原子・原子間および原子・電磁波(光)間の相互作用に比べて強く、低損失性と並ぶ超伝導回路の特長です。このような超伝導回路の特長を生かした量子コンピュータの研究開発を行っています。ジョセフソン接合の非線形性を利用した量子分岐現象によってシュレディンガーの猫状態を生成できるKerrパラメトリック発振器、それを基本素子としてアニーリング方式とゲート方式のどちらにも利用可能な量子分岐マシン、超伝導量子ビット間の結合の強さを調整できる可変結合器の従来方式の課題を解決する独自の可変結合器ダブルトランズモンカプラなどを提案し、超伝導方式の量子コンピュータの実現を目指しています。

「ダブルトランズモンカプラ」で結合された2つの周波数固定トランズモン量子ビットの回路図

研究開発ニュース

量子インスパイアード計算機 シミュレーテッド分岐マシン

量子分岐マシンの古典モデルは古典力学におけるハミルトンの運動方程式で記述されます。それを数値計算で高速にシミュレートできるように変形し、シンプルで安定な数値解法であるシンプレクティック・オイラー法を用いて解くことにより組合せ最適化問題を解く手法がシミュレーテッド分岐アルゴリズム、それをFPGAやGPUといった最先端の並列プロセッサで高速実装したものがシミュレーテッド分岐マシンです。量子分岐マシンの原理が量子分岐現象と量子断熱定理に立脚することから、シミュレーテッド分岐マシンの原理は古典分岐現象と古典断熱定理に立脚すると予想されますが、まだ未知のことが多く、原理解明や性能改善に向けて研究を続けています。また、その高速性・柔軟性を生かした応用の開拓にも取り組んでいます。

H. Goto et al., Science Advances 5, eaav2372 (2019)より抜粋。
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研究開発ニュース

論文

2025

High-performance conditional-driving gate for Kerr parametric oscillator qubits
Hiroomi Chono and Hayato Goto
APL Quantum 2, 016110 (2025)


2024

Realization of high-fidelity CZ gate based on a double-transmon coupler
Rui Li, Kentaro Kubo, Yinghao Ho, Zhiguang Yan, Yasunobu Nakamura, and Hayato Goto
Physical Review X 14, 041050 (2024)


High-performance multiqubit system with double-transmon couplers: Toward scalable superconducting quantum computers
Kentaro Kubo, Yinghao Ho, Hayato Goto
Physical Review Applied 22, 024057 (2024)


Fast elementary gates for universal quantum computation with Kerr parametric oscillator qubits
Taro Kanao, Hayato Goto
Physical Review Research 6, 013192 (2024)


Ultra-High-Speed Optimization for 5G Wireless Resource Allocation by Simulated Bifurcation Machine
H. Obata, T. Nabetani, H. Goto, K. Tatsumura
Proc. of IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC) (2024)


Efficient and Scalable Architecture for Multiple-chip Implementation of Simulated Bifurcation Machines
T. Kashimata, M. Yamasaki, R. Hidaka, K. Tatsumura
IEEE Access 12, 36606-36621 (2024)


Roadmap for Unconventional Computing with Nanotechnology
G. Finocchio, K. Tatsumura, H. Goto et al.
Nano Futures 8, 012001 (2024)


量子コンピュータの基礎と最新動向
後藤 隼人
日本原子力学会誌 ATOMOΣ 66巻4号, pp. 185-190 (2024)


シミュレーテッド分岐マシンの金融分野への応用 (PDF形式)(415KB)
日高 亮、濱川 洋平、辰村 光介
東芝レビュー79巻3号, pp. 32-35(2024)


Control of the ZZ coupling between Kerr cat qubits via transmon couplers
Takaaki Aoki, Taro Kanao, Hayato Goto, Shiro Kawabata, Shumpei Masuda
Physical Review Applied 21, 014030 (2024)


Correlation-diversified portfolio construction by finding maximum independent set in large-scale market graph
R. Hidaka, Y. Hamakawa, J. Nakayama, K. Tatsumura
IEEE Access 11, 142979-142991 (2023)


Pairs-trading System using Quantum-inspired Combinatorial Optimization Accelerator for Optimal Path Search in Market Graphs
K. Tatsumura, R. Hidaka, J. Nakayama, T. Kashimata, M. Yamasaki
IEEE Access 11, 104406-104416 (2023)


Real-time Trading System based on Selections of Potentially Profitable, Uncorrelated, and Balanced Stocks by NP-hard Combinatorial Optimization
K. Tatsumura, R. Hidaka, J. Nakayama, T. Kashimata, M. Yamasaki
IEEE Access 11, 120023-120033 (2023)


量子インスパイアード車載プラットフォームの提案と試作
大矢晃示, 藤本裕, 濱川洋平, 山崎雅也, 辰村光介
自動車技術会論文集 54巻6号, pp. 1216-1221 (2023)


Simulated bifurcation for higher-order cost functions
Taro Kanao, Hayato Goto
Applied Physics Express 16, 014501 (2023)

イジングマシン—量子計算にインスパイアされた組合せ最適化計算機—
後藤 隼人
日本神経回路学会誌2022年29巻4号, pp. 174-185 (2022)


Two-qubit gate using conditional driving for highly detuned Kerr nonlinear parametric oscillators
Hiroomi Chono, Taro Kanao, Hayato Goto
Physical Review Research 4, 043054 (2022)


Distance-based clustering using QUBO formulations
Nasa Matsumoto, Yohei Hamakawa, Kosuke Tatsumura, Kazue Kudo
Scientific Reports 12, 2669 (2022)


Fast Tunable Coupling Scheme of Kerr Parametric Oscillators Based on Shortcuts to Adiabaticity
S. Masuda, T. Kanao, H. Goto, Y. Matsuzaki, T. Ishikawa, S. Kawabata
Physical Review Applied 18, 034076 (2022)


Gaussian-wave-packet model for single-photon generation based on cavity quantum electrodynamics under adiabatic and nonadiabatic conditions
Takeru Utsugi, Akihisa Goban, Yuuki Tokunaga, Hayato Goto, Takao Aoki
Physical Review A 106, 023712 (2022)


Quantum Gate for a Kerr Nonlinear Parametric Oscillator Using Effective Excited States
Taro Kanao, Shumpei Masuda, Shiro Kawabata, Hayato Goto
Physical Review Applied 18, 014019 (2022)


疑似量子計算シミュレーテッド分岐アルゴリズムによるリアルタイム組合せ最適化システム
濱川 洋平、日高 亮、辰村 光介
マルチメディア,分散,協調とモバイルシンポジウム2022論文集(DICOMO), pp.1725-1732 (2022)
DICOMO2022 野口賞(奨励賞)受賞


Simulated bifurcation assisted by thermal fluctuation
Taro Kanao, Hayato Goto
Communications Physics 5, 153 (2022)


Spectroscopic observation of the crossover from a classical Duffing oscillator to a Kerr parametric oscillator
T. Yamaji, S. Kagami, A. Yamaguchi, T. Satoh, K. Koshino, H. Goto, Z. R. Lin, Y. Nakamura, T. Yamamoto
Physical Review A 105, 023519 (2022)

2021

シミュレーテッド分岐アルゴリズムを用いた大規模組合せ最適化
後藤隼人, 辰村光介
電子情報通信学会論文誌 C J104-C(4), 110-117 2021


Chaos in coupled Kerr-nonlinear parametric oscillators
Hayato Goto, Taro Kanao
Physical Review Research 3, 043196 (2021)


Requirements for fault-tolerant quantum computation with cavity-QED-based atom-atom gates mediated by a photon with a finite pulse length
Rui Asaoka, Yuuki Tokunaga, Rina Kanamoto, Hayato Goto, Takao Aoki
Physical Review A 104, 043702 (2021)


Large-scale combinatorial optimization in real-time systems by FPGA-based accelerators for simulated bifurcation"
K. Tatsumura, Int'l Symp. on Highly Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART), 2021.


Scaling out Ising machines using a multi-chip architecture for simulated bifurcation
K. Tatsumura, M. Yamasaki, H. Goto
Nature Electronics 4, 208-217 (2021)


High-performance combinatorial optimization based on classical mechanics
Hayato Goto, Kotaro Endo, Masaru Suzuki, Yoshisato Sakai, Taro Kanao, Yohei Hamakawa, Ryo Hidaka, Masaya Yamasaki, Kosuke Tatsumura
Science Advances 7, eabe7953 (2021)


2020

マイクロ波光子を用いた量子計算
後藤 隼人
レーザー研究 48(9), 492-498 (2020)


"Live Demonstration: Capturing Short-Lived Currency Arbitrage Opportunities with a Simulated Bifurcation Algorithm-Based Trading System,"
IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1-1 (2020).
Masaya Yamasaki; Ryo Hidaka; Yoshisato Sakai; Jun Yamaguchi; Yasuhito Nakamura; Hayato Goto


量子インスパイアド組み合わせ最適化アルゴリズム
後藤 隼人
電気評論 105(夏季増刊) 33-37, (2020)


シミュレーテッド分岐マシンの原理と応用
後藤 隼人
表面と真空 63(3), 129-133 (2020)


A Currency Arbitrage Machine based on the Simulated Bifurcation Algorithm for Ultrafast Detection of Optimal Opportunity
Kosuke Tatsumura, Ryo Hidaka, Masaya Yamasaki, Yoshisato Sakai, Hayato Goto
IEEE Int. Symp. Circuits and Syst. (ISCAS), pp. 1-5 (2020)


Quantum annealing using vacuum states as effective excited states of driven systems
Hayato Goto, Taro Kanao
Communications Physics 3, 235 (2020)


2019

FPGA-based Simulated Bifurcation Machine
Kosuke Tatsumura, Alexander R. Dixon, Hayato Goto
Proc. of IEEE Int'l Conf. on Field-Programmable Logic and Applications (FPL), 59-66 (2019)


Figure of merit for single-photon generation based on cavity quantum electrodynamics
Hayato Goto, Shota Mizukami, Yuuki Tokunaga, Takao Aoki
Physical Review A 99, 053843 (2019)


Combinatorial optimization by simulating adiabatic bifurcations in nonlinear Hamiltonian systems
Hayato Goto, Kosuke Tatsumura, Alexander R. Dixon
Science Advances 5, eaav2372 (2019)


Quantum Computation Based on Quantum Adiabatic Bifurcations of Kerr-Nonlinear Parametric Oscillators
Hayato Goto
Journal of the Physical Society of Japan 88, 061015 (2019)


On-demand generation of traveling cat states using a parametric oscillator
Hayato Goto, Zhirong Lin, Tsuyoshi Yamamoto, Yasunobu Nakamura
Physical Review A 99 023838, (2019)


2018

Boltzmann sampling from the Ising model using quantum heating of coupled nonlinear oscillators
Hayato Goto, Zhirong Lin, Yasunobu Nakamura
Scientific Reports 8, 7154 (2018)


2017

Large-scale Ising-machines composed of magnetic neurons
Koichi Mizushima, Hayato Goto, Rie Sato
Applied Physics Letters 111, 172406 (2017)


Work sharing of qubits in topological error corrections
Tetsufumi Tanamoto, Hayato Goto
Physical Review A 96, 022324 (2017)


2016

Suppressing gate errors in frequency-domain quantum computation through extra physical systems coupled to a cavity
Satoshi Nakamura, Hayato Goto, Mamiko Kujiraoka, Kouichi Ichimura
Physical Review A 94, 062306 (2016)


Universal quantum computation with a nonlinear oscillator network
Hayato Goto
Physical Review A 93, 050301(R) (2016)


2015

Frequency-domain quantum computation to selectively manipulate many qubits
Satoshi Nakamura, Hayato Goto, Mamiko Kujiraoka, Kouichi Ichimura
Physical Review A 91, 012309 (2015)


2014

Resource requirements for a fault-tolerant quantum Fourier transform
Hayato Goto
Physical Review A 90, 052318 (2014)


Soft-decision decoder for quantum erasure and probabilistic-gate error models
Hayato Goto, Hironori Uchikawa
Physical Review A 89, 022322 (2014)


2013

Cavity-enhanced spectroscopy of a rare-earth-ion-doped crystal: Observation of a power law for inhomogeneous broadening
Hayato Goto, Satoshi Nakamura, Mamiko Kujiraoka, Kouichi Ichimura
Optics Express 21, 24332-24343 (2013)


Quantum phase gate via stimulated Raman adiabatic passage with time-dependent two-photon detuning
Satoshi Nakamura, Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Optics Communications 293, 160-165 (2013)


2011

2010

Experimental determination of intracavity losses of monolithic Fabry-Perot cavities made of Pr3+:Y2SiO5
Hayato Goto, Satoshi Nakamura, Kouichi Ichimura
Optics Express18, 23763-23775 (2010)


Condition for fault-tolerant quantum computation with a cavity-QED scheme
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 82, 032311 (2010)


2009

Fault-tolerant quantum computation with probabilistic two-qubit gates
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 80, 040303(R) (2009)


2008

Reformulation of the quantum Zeno effect for exponentially decaying systems
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 78, 044102 (2008)


Quantum phase transition in the generalized Dicke model: Inhomogeneous coupling and universality
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 77, 053811 (2008)


Stimulated Raman adiabatic passage with small two-photon detunings and its geometrical description
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physics Letters A 372, 1535-1540 (2008)


Nonclassical photon statistics in cavity QED with an inhomogeneous medium
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 77, 015804 (2008)


2007

2006

EIT(電磁波誘起透明化)を利用した固体素子量子コンピュータ
市村厚一
光技術コンタクト、44巻、p638-p645、(2006)


Normal-mode coupling of rare-earth-metal ions in a crystal to a macroscopic optical cavity mode
Kouichi Ichimura, Hayato Goto
Physical Review A 74, 033818 (2006)


固体材料を用いた電磁波誘起透明化 (EIT) 研究の動向
市村 厚一
レーザー研究 34巻 Supplement号 pp. S49-S50 (2006)


Population transfer via stimulated Raman adiabatic passage in a solid
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 74, 053410 (2006)


2005

EITによる光速度制御技術の現状と動向
市村厚一
月刊オプトロニクス、11号、p144-p149、(2005)


固体 EIT 技術-未来デバイスの動作原理 (PDF形式)(319KB)
市村 厚一
東芝レビュー Vol.60, No.7 (2005)


Quantum trajectory simulation of controlled phase-flip gates using the vacuum Rabi splitting
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 72, 054301 (2005)


Nonclassical photon statistics of the light from a weakly driven cavity containing weakly driven two-level atoms
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Optics Communications 248, 493-499 (2005)


2004

Expectation-value approach to photon statistics in cavity QED
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Phys. Rev. A 70, 023815 (2004).


Multiqubit controlled unitary gate by adiabatic passage with an optical cavity
Hayato Goto, Kouichi Ichimura
Physical Review A 70, 012305 (2004)


2003

電磁波誘起透明化(EIT)を用いた量子情報処理
市村厚一
レーザー研究、31巻、p605-p611、(2003)


2002

周波数空間を利用した固体素子量子コンピュータ (PDF形式)(85KB)
市村厚一
東芝レビュー 57巻9号、p38-p41、(2002)


2001

電磁波誘起透明化材料(固体EIT)
市村厚一
月刊ディスプレイ、9月号、p81-p85、(2001)


A simple frequency-domain quantum computer with ions in a crystal coupled to a cavity mode
Kouichi Ichimura
Optics Communications 196, 119-125 (2001)


2000

固体での電磁波誘起透明化 (PDF形式)(3.44MB)
市村厚一
光学、29巻8号、p507-p513、(2000)


1999

電磁波誘起透明化(EIT)を固体で実現した希土類イオン分散結晶
市村厚一、山本和重、源間信弘
固体物理、34巻、p715-p723、(1999)


固体におけるEIT(電磁波誘起透明化) (PDF形式)(2.25MB)
市村厚一、山本和重
東芝レビュー 54巻5号、p67-p71、(1999)


固体の電磁波誘起透明化現象
市村 厚一, 山本 和重, 源間 信弘
応用物理 68巻 9号 pp.1021-1026 (1999)


1998

Enhanced and reduced absorptions via quantum interference: Solid system driven by a rf field
Kazushige Yamamoto, Kouichi Ichimura, Nobuhiro Gemma
Physical Review A 58, 2460-2466 (1998)


Evidence for electromagnetically induced transparency in a solid medium
K. Ichimura, K. Yamamoto, and N. Gemma
Physical Review A 58, 4116-4120 (1998)


主な講演・インタビュー

インタビュー

「量子コンピュータの最先端を切り拓く」

後藤隼人シニアフェローに、入社以来携わってきた量子コンピュータの研究開発の成果や、最先端の研究を続けるための姿勢などを尋ねました。

2024

Simulated Bifurcation Machines: Enabling NP-hard Optimization-based Judgement in Realtime systems by Quantum-inspiredTechnology  
K. Tatsumura
IEEE International Workshop on Ising Machines(IISM), 2024.4.16
https://www.petaspin.com/isingmachines2024/

シミュレーテッド分岐マシンのリアルタイムシステムへの応用-金融・車載の事例-
辰村光介,第2回量子アニーリング及び関連技術研究会, 2024年2月20日 

オープンセッション
「量子技術の社会実装に向けた展望と課題 ~技術・ビジネス・利用、3つの視点のクロッシングで量子技術の可能性を語る~ 」
日本電信電話(株)常務理事 寒川哲臣氏、
(株)グルーヴノーツ 代表取締役社長 最首 英裕氏、(株)長大 事業戦略推進統括部 クオンタム推進部 部長 高野 秀隆氏、東芝デジタルソリューション(株)綿引賢、(株)東芝 平岡俊郎

Simulated bifurcation machines: combinatorial optimization accelerators based on a quantum-inspired parallelizable algorithm 
K. Tatsumura
Symposium on VLSI Technology and Circuits, 2023.6.

量子コンピュータの基礎と最新動向
後藤隼人
日本原子力学会2023年秋の大会 2023/9/8

組合せ最適化を変革する疑似量子コンピュータ~シミュレーテッド分岐マシンの基礎と応用~
後藤隼人
情報計算化学生物学会 第437回講演会「量子生命と量子コンピューティング」 2022.09.22 

シミュレーテッド分岐アルゴリズム―断熱量子計算から発見された組合せ最適化手法  後藤隼人
情報処理学会量子ソフトウェア研究会第6回研究発表会 2022.07.08

オープンセッション
東芝オンラインカンファレンス2021 TOSHIBA OPEN SESSIONS session1「量子技術によるサステナブルな未来」レポート(第3回)
東北大学 大関真之教授、(株)東芝 後藤隼人 2021.10.22

(Keynote) Large-scale combinatorial optimization in real-time systems by FPGA-based accelerators for simulated bifurcation  
K.Tatsumura
Int'l Symp. on Highly Efficient Accelerators and Reconfigurable Technologies (HEART), June 21-23, 2021, Online, Gearmany.

Autonomously-synchronizable multi-chip architecture for Ising machines based on simulated bifurcation 
K. Tatsumura
IEEE Nanotechnology council, Technical Committee (TC-16) on Quantum, Neuromorphic and Unconventional computing, Online, Italy, June 11, 2021.

シミュレーテッド分岐アルゴリズムのFPGAアクセラレータによるリアルタイムシステムにおける大規模組合せ最適化
辰村光介,
電子情報通信学会 リコンフィギャラブルシステム研究会(RECONF)2021年6月9日, 

Combinatorial Optimization Machines Using Quantum or Classical Parametric Oscillators
H.Goto
International Conference on Electronics Packaging 2021  2021.05.14

Combinatorial optimization using quantum or classical driven systems
H.Goto
APS March Meeting 2021 2021.03.16

Simulated bifurcation algorithm for large-scale combinatorial optimization
H.Goto
ASP-DAC2021, Designers’ Forum, Session 8A-2  2021.01.21

量子分岐マシンとシミュレーテッド分岐マシン
後藤隼人
電子デバイス界面テクノロジー研究会 2020.01.30

シミュレーテッド分岐アルゴリズム~古典断熱過程に基づく組合せ最適化~
後藤隼人 第41回量子情報技術研究会 2019.11.18

シミュレーテッド分岐アルゴリズム
後藤隼人
日本オペレーションズ・リサーチ学会研究グループ「量子コンピュータと次世代計算機活用」 2019.07.11

Quantum bifurcation machine (QbM) and QbM-inspired classical Ising machine
H.Goto
Adiabatic Quantum Computing Conference 2019 2019.06.28 

History

2024


・ダブルトランズモンカプラを理化学研究所と共同で実現し、99.90%の2量子ビットゲート忠実度を達成した論文を発表。

2022


・ダブルトランズモンカプラの理論提案を論文発表。

2021


・ダブルトランズモンカプラを理論的に発見。
・第2世代シミュレーテッド分岐アルゴリズムを論文発表。

2019


・シミュレーテッド分岐マシンを初めて論文で発表。

2017


・量子分岐マシンの理論からシミュレーテッド分岐アルゴリズムを発見。

2016


・量子分岐マシン(アニーリング方式とゲート方式)を論文発表。
・代表的な量子誤り訂正符号であるSteane符号のリソース最小の符号化手法を論文発表。

2015


・コヒーレントイジングマシンの2光子損失と1光子損失をそれぞれKerr効果と離調で置き換えることで、量子分岐マシンを理論的に発見。

2013


・確率推論に基づく連接量子符号の最適復号を論文発表。

2010


・Cavity QED系を用いた誤り耐性量子計算のしきい値を大幅に改善する論文を発表。

2006


・世界で初めての固体中でのSTIRAP(Stimulated Raman Adiabatic Passage)の実験的実現に関する論文発表。

2001


・固体EIT(Electromagnetically Induced Transparency)を利用した量子コンピュータを理論提案する論文を発表。

1998


・希土類イオン分散結晶(Pr3+:Y2SiO5)を利用した固体EITの観測に関する論文発表。

東芝デジタルソリューションズ株式会社
量子インスパイアード最適化ソリューション

東芝デジタルソリューションズ株式会社
量子暗号通信

東芝 採用情報