キュエル株式会社、大阪大学、東京大学の研究グループは、大規模なイオントラップ量子コンピュータにおける配線数の増大を解決するため、時分割多重化（TDM）を用いた電圧制御システムを開発し、低温環境での動作を実装しました。この技術により、複数のトラップ電極を少数の制御線から駆動できるようになり、大規模化に向けた制御システムの簡素化が期待されます。本研究の成果は、学術誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。

量子ビット増加に伴う配線数の課題

イオントラップ量子コンピュータを大規模化する手法として有力視されているQuantum Charge-Coupled Device（QCCD）方式では、多数の電極を独立して制御しながら、量子プロセッサ内でイオンを移動させます。

従来の方式では、室温にある制御装置から超高真空・低温環境のイオントラップへ多数のアナログ信号線を引き込む必要がありました。そのため、量子ビット数が増えるにつれて必要な電極数、配線数、真空フィードスルーの数も急速に増大し、システムの大規模化を阻む要因となっていました。

低温環境での時分割多重化による制御アーキテクチャ

研究グループは、1つの電圧信号を時間的に切り替えて複数の電極へ分配するTDM方式を低温環境に導入するアーキテクチャを提案しました。

このシステムでは、室温側から順番に送られてくる電圧信号を低温側に配置したスイッチ回路で各電極へ振り分けます。これにより、電極ごとに専用のアナログ信号線を用意することなく、真空装置内へ引き込むアナログ配線や電圧生成回路を複数の電極で共有することが可能になります。

保持と輸送に必要な2種類の電圧制御を実証

開発された電圧制御システムを用いて、用途の異なる電極制御の実装試験が行われました。

検証では、イオンの位置や状態を安定に保つための緩やかな電圧制御と、イオン輸送に求められる時間変化の速い電圧制御の双方が対象となりました。その結果、低温環境においてTDM方式による電圧信号の生成と分配が確認され、イオンの保持や輸送に必要な制御信号を生成できることが示されました。

発表論文の概要

本研究は、科学技術振興機構（JST）共創の場形成支援プログラム（COI-NEXT）およびJSTムーンショット型研究開発事業の支援を受けて実施されました。発表論文の詳細は以下の通りです。

• 論文タイトル：Cryogenic Time-Division-Multiplexed Voltage Control for Scalable Trapped-Ion Quantum Processors
• 著者：Ryutaro Ohira, Shinichi Morisaka, Yoshinori Kurimoto, Toshiaki Inada, Ippei Nakamura, Takefumi Miyoshi, and Atsushi Noguchi
• 掲載誌：Applied Physics Letters
• 掲載日：日本時間2026年8月31日21時
• DOI：https://doi.org/10.1063/5.0344625

本記事はキュエル株式会社、大阪大学、東京大学の発表をもとに作成。

Dellows News編集部

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