大規模な量子コンピュータの実現に向け、光接続で拡張を期待できる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

当社は、このたび、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（以下、本プロトタイプ）を開発しました。ダイヤモンドスピン方式は、高いフィデリティ（注1）と高効率の光接続により、将来的に量子コンピュータの大規模化への寄与が期待される方式です。従来比約10倍相当の高輝度なダイヤモンド結晶中のスズ-空孔（SnV）センター（以下、SnVセンター）（注2）と呼ばれる構造を量子ビットとして用いる世界初の構成（注3）を特長とし、超伝導方式の量子コンピュータの動作温度（典型的には約-273.13℃）より高い約-271.6℃で動作できることを確認しました。また、ユーザーが量子コンピュータの方式の違いを意識することなく、当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「Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform」経由で本プロトタイプを利用できることを実証しました。

今回の成果は、当社とDelft University of Technology（以下、デルフト工科大学）（注4）、およびその傘下の世界有数の量子技術研究機関であるQuTech（注5）が2020年より進めてきた共同研究成果を基に実現したものであり、量子コンピュータを大規模化するための有力なアプローチの一つであるモジュール型アーキテクチャの実現に向けた重要なマイルストーンです。

当社は、このたび開発した高輝度のSnVセンターを集積する技術をさらに発展させ、2027年を目標に複数量子モジュール（注6）から成る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の開発に取り組むとともに、超伝導方式との接続技術の開発にも取り組み、両方式を合わせて大規模な誤り耐性量子コンピュータの実現に向けた研究を推進していきます。

背景

量子コンピュータの実用化に向けては、超伝導、イオントラップ、中性原子などの様々な量子コンピュータの方式が世界で研究されています。ダイヤモンドスピン方式は、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利用する方式です。量子状態を安定的に保ちやすいダイヤモンドの特性に起因する高いフィデリティが特長（注7）で、超伝導方式などに比べて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ります。また、光を用いることで量子モジュールを高い自由度で接続できる（注8）ことから、優れた拡張性をもつモジュール型アーキテクチャによるシステムの構築が可能になります。
これまでダイヤモンドスピン方式では、ダイヤモンド結晶中の窒素原子不純物によって形成された窒素-空孔（NV）センター（以下、NVセンター）と呼ばれる構造を用いるのが一般的でしたが、本プロトタイプの開発では、SnVセンターに着目しました。SnVセンターは高い対称性を持ち、NVセンターと比較して外部環境のノイズの影響を受けにくいのが特長で、非常に安定した高輝度のカラーセンターとして期待されています。

開発技術の概要

当社は、本プロトタイプ作製にあたり、以下の技術を開発しました。

1.  スケーラブルな量子コンピューティングチップを可能にする異種材料接合技術と薄層化技術
   SnVセンターを用いた量子コンピューティングチップを実現するため、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異種材料接合技術、および異種材料に接合した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、量子コンピューティングチップに適した数百ナノメートルまで薄層化する技術を開発しました。

2. SnVセンター向けフォトニクス集積回路作製技術

   光による量子ビットの初期化や量子ビット状態の読み出しの際にSnVから放出される単一の光子を取り出すために、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、単一の光子を取り出すための可視光領域で透明なアルミナの光導波路を集積したフォトニクス集積回路（注9）を作製する技術を開発しました。ダイヤモンドの加工においては、国立大学法人東京大学（注10）との共同研究成果を活用しました。

3. ダイヤモンドスピン方式向け量子回路変換・量子ビット制御技術
   ダイヤモンドスピン方式では光・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です。当社は、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機構を開発し、「Fujitsu Hybrid Quantum Computing Platform」からの制御を実現しました。

図1 本プロトタイプの外観

図2 (a) SnVセンターを含むダイヤモンドとアルミナの光導波路から成るフォトニクス集積回路の一部の電子顕微鏡像と模式
(b) SnVセンターとNVセンターの分子構造と、発光スペクトル
富士通株式会社 執行役員副社長 CTO、システムプラットフォーム担当 ヴィヴェック マハジャンのコメント

このたび開発したダイヤモンドスピン方式は、それ自体が高いスケーラビリティを特長とするだけでなく、今後、超伝導方式量子コンピュータと接続することで、超伝導方式量子コンピュータの性能をさらに拡張し、より複雑で大規模な量子計算を実現できる可能性を秘めています。
当社は、2030年度に250論理量子ビット、2035年度に1,000論理量子ビット機を実現するというロードマップのもと、高いフィデリティと光接続というダイヤモンドスピン方式の特長を生かしながら、量子コンピュータのソフトウェアからハードウェアまでの幅広い領域で、実用的な量子計算の実現に向けた取り組みを続けていきます。

デルフト工科大学 QuTech ジェネラルディレクター Dr. Kees Eijkel（ケース エイケル）のコメント

2020年より行われている富士通とデルフト工科大学、QuTechの共同研究の重要なマイルストーンとして、本プロトタイプを発表できることを嬉しく思います。ダイヤモンドスピン方式の量子コンピュータに期待されるスケーラビリティを実証するには、この先も長く困難な道のりがありますが、富士通との連携をさらに深めながら、この困難かつ意義深い挑戦に果敢に取り組み、次世代の技術開発をリードしていきます。

研究サポート

本研究の一部は、文部科学省「マテリアル先端リサーチインフラ」事業（課題番号JPMXP1225NM0096）の支援を受けています。またQuTechと当社の共同研究は、オランダの官民連携助成制度による支援（注11）を受けています。

商標について

記載されている製品名などの固有名詞は、各社の商標または登録商標です。

注釈

注1　フィデリティ：

量子状態が理想的な状態にどれだけ近いかを示す指標の一つ。値が高いほど望ましい。

注2　スズ-空孔（SnV）センター：

ダイヤモンド中の炭素原子の一部がスズ（Sn）原子と空孔に置き換わることで形成される格子欠陥。カラーセンター（色中心）と呼ばれる構造の一つ。

注3　ダイヤモンド結晶中のスズ-空孔センターと呼ばれる構造を量子ビットとして用いる世界初の構成：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（2026年9月富士通調べ）。

注4　Delft University of Technology：本拠地 オランダ王国 デルフト、学長 I.D.Thijssen

注5　QuTech：本拠地 オランダ王国 デルフト、ジェネラルディレクター Kees Eijkel

注6　量子モジュール：

ダイヤモンドスピン方式量子コンピュータの基本構成単位。電子スピン量子ビットと13C炭素同位体の核スピン量子ビットという2種類のスピン量子ビットを備える。複数の量子モジュールを光接続することでシステムの拡張が可能。

注7　量子状態を安定に保ちやすいダイヤモンドの特性に起因する高いフィデリティが特長：

デルフト工科大学などの研究グループは、当社との共同研究において、ダイヤモンド中のNVセンターの電子スピンと核スピンを用いた2量子ビットゲートで、エラー確率0.1%未満の操作精度を実証している（Phys. Rev. Applied 23, 034052 (2025).) 

注8　光を用いることで量子モジュールを高い自由度で接続することができる：

電子スピン量子ビットから発せられる光子の量子もつれ状態を用いることで、電子スピン量子ビット間で相互に量子状態を伝送する光接続が可能。この光接続は異なるチップの上にある量子ビットや、異なる冷凍機に納められた量子ビット間でも可能であり、例えばNVセンターにおいては、デルフト工科大学と当社の共同研究において、異なる冷凍機に納められた遠隔NVセンター間でのエンタングルメントおよび量子ゲート操作が実証されている（Nat Commun 17, 4694 (2026).）

注9　フォトニクス集積回路：

エレクトロニクスが電子の性質を利用して情報を処理・伝送する技術であるのに対し、電子（Electron）の代わりに光子（Photon）を扱い、光の生成・制御・検出を行うことで情報の処理を行う集積回路のこと。

注10　国立大学法人東京大学：本部 東京都文京区、総長 藤井 輝夫

注11　オランダの官民連携助成制度による支援：

Holland High Techによる研究開発助成、およびオランダ経済省による研究・イノベーション助成を活用。

関連リンク

• ダイヤモンドスピン量子コンピュータ

• 実用的な量子計算の実現に向けて、1万量子ビット超の超伝導量子コンピュータの研究開発を開始（2025年8月1日富士通プレスリリース）

• ダイヤモンドスピン量子ビットの高精度量子ゲート操作技術を開発（2025年3月24日富士通プレスリリース）

• 世界初！極低温に置いたクライオCMOS回路を用いたダイヤモンドスピン量子ビット駆動に成功（2024年2月20日富士通プレスリリース）

本件に関するお問い合わせ

富士通株式会社

お問い合わせフォーム

当社はセキュリティ保護の観点からSSL技術を使用しております。

プレスリリースに記載された製品の価格、仕様、サービス内容などは発表日現在のものです。その後予告なしに変更されることがあります。あらかじめご了承ください。