電気電子工学科の井田研究室が量子コンピュータ研究の国家プロジェクトに参画

制御回路に使用されるトランジスタの極低温下での動作原理の解明を担当

電気電子工学科の井田次郎教授の研究室が、今話題の量子コンピュータ研究の国家プロジェクトに参画します。量子コンピュータ制御用半導体集積回路「量子・古典インターフェース」に使用されるトランジスタの極低温下での動作原理を解明することをめざします。この研究は、国立研究開発法人産業技術総合研究所（産総研）からの再委託であり、東京大学と金沢工業大学の井田研究室が担当します。

井田研究室が参画する研究プロジェクトは「超伝導体・半導体技術を融合した集積量子計算システムの開発」（代表 産総研。研究開発責任者　川畑史郎）で、国立研究開発法人新エネルギー・産業開発機構（NEDO）の大型公募研究「高効率・高速処理を可能とするAIチップ・次世代コンピューティングの技術開発」の追加公募に採択されています。次世代コンピューティングとは、「量子アニーリングマシン」や「汎用量子コンピュータ」等の非ノイマン型コンピュータ技術に該当します。

研究の概要：低温MOSFET技術の研究開発

井田研究室は、プロジェクトの研究開発のうち、量子・古典インターフェース技術（QC-IF）の開発を担当します。

量子コンピュータ（汎用量子コンピュータ及び量子アニーリングマシン）には、マイクロ波で量子ビット制御を行うために多くの配線が使われます。しかしながら、量子コンピュータを大規模化すると、量子コンピュータが設置された冷凍機への膨大な配線増加とそれによる熱流入、消費電力の爆発的な増大が深刻な課題となってきます。この課題を解決するため、制御システムを小型化・集積化・オンチップ化したMOSFETと呼ばれるトランジスタを利用した低温動作大規模半導体集積回路（量子・古典インターフェース）の技術開発と量子・古典インターフェースの冷凍機内への実装が必須となってきます。

井田研究室は、半導体集積回路のデバイス・インテグレーション技術、さらには、完全空乏型SOI（FD-SOI。トランジスタの構造の一種）技術に多くの知見・経験を有しています。FD-SOIによる極低電力デバイスの新規提案・研究開発などの実績があり、主要国際学会で活発に活動していたことから、今回、東大とともに、産総研から打診があり研究プロジェクトに参加することとなりました。

今回の研究プロジェクトにおいて、井田研究室は、量子・古典インターフェースに適したMOSFET技術がどのようなものであるかを明らかにし、低温下での動作物理機構の解明と、物理ベースコンパクトモデルの開発を実施します。2022年度までに、MOSFET技術によって削減可能な制御回路の消費電力について見込みをつける予定です。

研究の第1ステップとして、シリコン電子デバイスを4K（ケルビン、約-269℃）程度の極低温で使うための基盤技術の構築に取り組みます。井田研究室は研究室が保有する完全空乏型SOI-CMOS素子を使った極低温下での動作実験を開始します。

量子コンピュータの開発について

2019年の米Google社による「量子超越」の発表でも話題になった「汎用量子コンピュータ」とは、量子力学の原理を情報処理に利用した次世代コンピュータです。人工知能で利用される機械学習、さらには、COVID19では喫緊の課題でもある創薬に向けた量子化学計算などで、現在のノイマン型コンピュータの性能限界を超越すると期待されています。一方、「量子アニーリングマシン」は、組合せ最適化問題に特化した専用コンピュータです。次世代の基幹情報技術として、欧米、中国、さらには、日本でも多くの大規模な量子コンピュータ研究プロジェクトがスタートしています。また2020 年1月に、内閣府にて「量子技術イノベーション戦略」が策定され、その中で「量子コンピュータ」が我が国の最重要技術領域の1つと位置づけられています。

研究プロジェクト「超伝導体・半導体技術を融合した集積量子計算システムの開発」について

産業技術総合研究所が代表研究機関となり、日本電気株式会社（NEC）、国立研究開発法人理化学研究所、株式会社東芝が参画する体制で今回の追加公募に提案し、採択に至りました。

「汎用量子コンピュータ」や「量子アニーリングマシン」の大規模化・商用化のためには、低温動作半導体集積回路技術を用いた「量子・古典インターフェース」（量子ハードウェアの制御エレクトロニクス装置群を集積化した半導体回路）の実現と実装が必須となります。また、ビジネス適応範囲を拡大するためには量子アニーリングマシンに加えて汎用量子コンピュータの開発が必須となります。これらの実現のため、本研究プロジェクトにおいては、半導体CMOS エレクトロニクス・超伝導集積回路技術、およびそれらを支える材料・プロセス・回路・設計・実装・理論・シミュレーション技術を駆使して、量子ハードウェアと周辺エレクトロニクスを融合した革新的な集積量子計算システムの実現をめざしています。