富士通は2026年9月8日、ダイヤモンドスピン方式量子コンピュータのプロトタイプを開発したと発表した。ダイヤモンド結晶中のスズ-空孔（SnV）センターを量子ビットとして用いる構成で、同社調べではSnVセンターをチップ上に集積した形態の量子コンピュータとして世界初となる。超伝導方式の動作温度（典型的には約-273.13℃）より高い約-271.6℃での動作を確認した。

量子コンピュータの大規模化を光接続で狙う

ダイヤモンドスピン方式とは、ダイヤモンド結晶中のカラーセンターと呼ばれる格子欠陥構造を量子ビットとして使う量子コンピュータの方式である。量子コンピュータの実用化に向けては、このほかにも超伝導、イオントラップ、中性原子など複数の方式が世界で研究されている。

この方式の特長は2点ある。1つは、量子状態を安定的に保ちやすいダイヤモンドの特性に由来する高いフィデリティだ。フィデリティは、量子状態が理想的な状態にどれだけ近いかを示す指標で、値が高いほど望ましい。超伝導方式などに比べ、より少数の物理量子ビットから論理量子ビットを構成できる可能性がある。もう1つは、光を用いて量子モジュール同士を高い自由度で接続できる点だ。モジュールを光でつなぐことで、拡張性に優れたモジュール型アーキテクチャを構築できる。

従来、ダイヤモンドスピン方式では窒素原子の不純物によって形成される窒素-空孔（NV）センターを用いるのが一般的だった。今回は、より高い対称性を持ち、外部環境のノイズの影響を受けにくいSnVセンターに着目した。従来比で約10倍相当の高輝度なSnVセンターを得ている。

異種材料接合とフォトニクス集積回路で試作

プロトタイプの作製にあたり、3つの技術を開発した。

1つ目は、異種材料接合技術と薄層化技術だ。スズをイオン注入した高品質ダイヤモンド基板と、アルミナ・酸化膜付きシリコン基板を接合する。さらに、数百マイクロメートルの厚みを持つ硬いダイヤモンドを、チップに適した数百ナノメートルまで薄くする技術を確立した。

2つ目は、SnVセンター向けのフォトニクス集積回路の作製技術だ。SnVセンターを含むナノメートルサイズのダイヤモンド結晶と、可視光領域で透明なアルミナの光導波路を集積する。光による量子ビットの初期化や状態の読み出しの際にSnVセンターから放出される単一の光子を取り出す構成となる。ダイヤモンドの加工では、東京大学との共同研究成果を活用した。

3つ目は、量子回路変換・量子ビット制御技術だ。ダイヤモンドスピン方式は光・マイクロ波・RF波を組み合わせて量子ビットを制御するため、超伝導方式とは異なる制御方式が必要になる。同社は、量子ゲートで記述された量子回路をダイヤモンドスピン方式向けの制御命令に変換する仕組みを開発した。これにより、ユーザーが方式の違いを意識することなく、同社のハイブリッド量子コンピューティングプラットフォーム経由でプロトタイプを利用できることを実証している。

今回の成果は、同社とオランダのデルフト工科大学、およびその傘下の量子技術研究機関QuTechが2020年から進めてきた共同研究に基づく。研究の一部は文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業の支援を受けた。

富士通は、高輝度のSnVセンターを集積する技術をさらに発展させ、2027年を目標に複数の量子モジュールから成るプロトタイプの開発に取り組む。あわせて超伝導方式との接続技術も開発し、2030年度に250論理量子ビット、2035年度に1000論理量子ビット機を目指すロードマップのもとで研究を進めるとしている。

関連情報

プレスリリース：https://prtimes.jp/main/html/rd/p/000000603.000093942.html

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