経済安全保障レポート「先端技術の研究開発と実用に関する米中の取り組み」

「QISのための国家戦略概要」は、急速に発展することが予想されるQISを推進するために、

① 省庁間および官民間の協調

② QIS分野における多様な人材の育成と確保

③ 複数の学科、教育と研究、産官学といった様々なレベルにおけるコミュニティ横断的なつながり

④ QISが経済や安全保障分野に及ぼす影響が見通せない状況においては「発見（discovery）」という文化・マインドの維持

という4点を重視して、以下の６つの方針を示した。関連省庁はこれらの方針に従って計画の策定が求められた。

① QISに対する科学ファーストのアプローチの採用

② 将来に向けた量子分野の人材育成

③ 量子産業との関係強化

④ 重要インフラの提供

⑤ 安全保障と経済成長の確保

⑥ 国際協力の推進

SCQISは米国政府のQISの取り組みポートフォリオを①量子センサー、②量子コンピューター、③量子ネットワーク、④量子理論やデバイスの進化によって可能になる科学分野の発展（素材、化学、宇宙論等）の4つの基礎科学と、①技術支援、②将来的なアプリケーション、③リスク緩和（量子時代の暗号など）の３つの技術開発の７つのカテゴリーで評価している。なお、米国政府のQIS関連の研究予算の約9割は前者４つの基礎科学分野に投入されている。

上記のように、米国は、2000年代初頭より、政府横断的にQISの推進に取り組んできたが、この動きは、2018年12月、国家量子イニシアチブ法（National Quantum Initiative Act、以下、NQIA）の制定に結実する。これは今後10年間の米国のQISの主に民生分野における取り組みの基本的な枠組みを定めるもので⁶、当初5年間に約13億ドルの投資を認めている⁷。

NQIAの目的は、以下の活動を通じて、QISとその技術利用における米国の持続的なリーダーシップを確実にすることである。

QIAは、上記の目的を達成するために、国立標準技術研究所（National Institute of Standards and Technology, 以下、NIST）と国立科学財団（National Science Foundation, 以下、NSF）、エネルギー省（Department of Energy, 以下、DoE）に対し、政策プログラムの目標を設定し、QISに関する研究開発と教育を支援し、連邦政府の研究機関や大学、企業、その他関連機関のパートナーシップを推進することを指示している。NISTとNSF、DoEそれぞれへの指示事項は以下のとおりである

NQIAはNIST、NSF、DoEにNQIAに関わる政策プログラムの実行を指示しているが、この3機関以外にも多数の連邦政府省庁がそれぞれのミッションを果たす上で必要なQISの研究開発に携わっている。これらの機関間の情報共有や連携の推進、また連邦政府全体の戦略策定を行うため、NQIAは３つの調整機関を規定している。

歴史的に、量子力学の研究は、原子時計や全地球測位システム、レーザー、トランジスター、磁気共鳴画像法(MRI)などの革新的な技術を生み出した。一方で情報理論の研究は、コミュニケーション、計算およびデータサイエンスの変革をもたらした。この２つの分野の合流点に探索すべき新しい科学的展望が開け、新しい量子情報科学技術アプリケーションとユースケースの可能性がある。産・学コミュニティは、QISが革新的な技術を生み出す大きな可能性があることを明らかにしているが、重要な技術的基盤を確立するには基礎研究への投資が必要であり、コアQIS 研究開発プログラムの強化、新しいQISセンターの立ち上げ、量子フロンティアの探索といったサイエンス・ファーストのアプローチを取っている。そのためのアクションは以下のとおりである。

QIS 研究開発への活発な取り組みと産業界におけるQISへの投資の増大により、QIS人材の現在の供給は需要を下回っている。人材育成支援のため、以下のような活動が実施された。

国の経済成長と繁栄は、強力な産業とイノベーションを生み出す活気に満ちたエコシステムに依存する。基礎研究は、新しい知識や新しい材料、新しいプロセス、新しい技術を創造し、米国産業の能力を最先端のものでありつづけさせる技術力のある労働力を育成することによって、このエコシステムを発展させる。同時に、新しい産業の成長は、新しい科学的発見を可能にし、より多くの国に利益をもたらす。しかし、発見を実用技術にうまく転換することは困難であり、科学者、エンジニア、開発者、ベンチャーキャピタリスト、起業家、メーカー、顧客が連携し、イノベーションエコシステムで協力することが必要である。このようなイノベーションコミュニティ全体の動きをサポートするために、以下のような活動が行われた。

科学インフラストラクチャーは、重要な共通技術的・科学的機能を研究コミュニティに広く提供することにより、調査・発見から技術開発までの進歩のサイクルを加速する。 QISでは、研究者がより高度な調査を実施するにつれて、ますます複雑な実験および技術システムが必要になる。新しいアプリケーションや非常に不安定な量子状態の探求には、特殊な材料、厳密な公差、超低温、および新しい量子制御システムを備えたプラットフォームが必要である。ナノテクノロジーや半導体開発などの目的で行われた投資に加えて、インフラストラクチャーへの追加投資は進歩を促進し、他の方法では不可能な科学的および技術的ブレイクスルーを可能にする。インフラストラクチャーの開発をサポートする活動として、次のようなものが挙げられる。

National Strategic Overview for QISは、科学的発見と技術的可能性が生じた際、米国がQISと技術の経済的および安全保障上の利益を確実に実現するために、注意深い状況ウォッチと迅速な対応、QISテクノロジー市場の開拓、政府全体の調整メカニズムの活用、知的財産と規制に関する適切な対応といった、包括的アプローチを取るよう求めている。これに対応して以下のような活動が行われている。

国際協力は、科学的能力、経済的競争力、および安全保障に関わるあらゆる戦略に不可欠な要素である。

日米は、「量子協力に関する東京声明」²⁵を共同で作成し署名した。この声明は、「探求の自由、メリットに基づく競争、開放性および透明性、説明責任並びに互恵関係といった我々が共有する価値観に支えられ、知的財産の保護、安全かつ包括的な研 究環境、研究における厳密さや規範、研究セキュリティおよび管理負担の軽減を推進する誠実な協力に着手する」など、QISを取り巻く国際協力の原則を宣言した。

科学とフロンティア技術の対話に関する米国とオーストラリアの合同委員会会議は、両国間の協力を深め、QISの変革の可能性を実現し、両国の国家安全保障と経済的繁栄へのプラスの影響を促進することに合意した。

• NISTはNQIAの規定に従い、QED-Cを結成した。本コンソーシアムは、将来、量子経済において必要になるサプライチェーンを構築することにより、量子研究における米国のリーダーシップを拡大することを目的としている。
• NISTは、産業界と共同研究開発契約（CRADA）を締結し、NIST研究所へのアクセスと技術移転を促進している。
• NISTのナノスケール科学技術センター（Center for Nanoscale Science and Technology, CNST）は、多様なQISデバイスのプロトタイプを作成できるユーザー向けの施設である。 NISTのボルダー微細加工施設は、超伝導デバイスと統合フォトニクスのための主要施設である
• NISTは量子計測学に関して各国の国立計測研究所と協力して取り組んでいる。
• NISTのコロラド大学/ボルダー校との提携機関であるJILA、メリーランド大学カレッジパーク校との提携機関であるJoint Quantum InstituteとJoint Center for Quantum Information and Computer Scienceは、学部生と大学院生にQISの教育と研究の機会を提供している
• NISTは、GPSへのバックアップを最大2週間提供するのに十分なホールドオーバー時間を備えた、コンパクトな光原子時計のプロトタイプを設計する取り組みを開始した。 このような時計が適切な値段で製造されるようになれば、携帯電話の塔やインターネット交換局に設置されると考えられる。
• NISTは、汎用量子ネットワークを構築するための様々な取り組みを支援するために、イオントラップ技術を利用してスケーラブルな量子中継器を構築するプログラムを立ち上げた。

NSFのQuantum Leap Challenge Institutes（QLCI）プログラムは、QISとエンジニアリングの最前線の大規模な学際的研究プロジェクトを支援する。QLCI機関は、量子コンピューティング、量子コミュニケーション、量子シミュレーション、および量子センシングの科学的、技術的、教育的、および人材開発の目標に対して学際的アプローチを推進する。2020年度からコロラド大学に設置するQLC for Enhanced Sensing and distribution Using Correlated Quantum State、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校に設置されるQCL for Hybrid Quantum Architectures and Networks、カリフォルニア大学バークレー校に設置されるQCL for present and Future Computingの3つの機関に今後5年間に7500万ドルが提供される。これらの機関は16の学術機関、8の国立研究所、22の企業パートナーが連携するコミュニティを形成する。2021年度には機関を追加する予定である（NQIAにより5機関まで設置することが認められている）。

• 2016年にNSFの10のビッグアイデア²⁶の1つとして発表されたQuantum Leapでは、NQIの重要な基礎を築き、量子情報科学技術の最先端の研究とトレーニングをサポートするために、NSFの全組織が関与している。Quantum Leapの活動には量子科学サマースクールや、量子情報科学技術ワークショップ、量子アルゴリズムチャレンジ等様々な活動が展開されている。
• QIS の研究開発コミュニティを成長させるために、NSFは、量子システムの変革的進歩のための量子アイデアインキュベーター（Quantum Idea Incubator for Transformational Advances in Quantum Systems, QII-TAQS）プログラム²⁷を策定した。 これは、量子科学、量子コンピューティング、および量子工学の開発および応用するための革新的で独創的な、変革をひき起こす可能性のあるアイデアを探求する学際的なチームをサポートするものである。NSFは2019年と2020年に19のQII-TAQSプロジェクトに合計3,200万ドルを超える助成金を提供した。
• 量子材料の設計、合成、および特性評価を加速するために、量子ファウンドリーの委託を実施した。カリフォルニア大学サンタバーバラ校が落札し²⁸、量子材料とデバイスのプロトタイピングと開発のためのインフラストラクチャーの役割を果たす。
• 量子コンピューティングおよび情報科学ファカルティフェロー（The Quantum Computing and Information Science Faculty Fellows, QCIS-FF）プログラム²⁹は、大学がコンピューターサイエンス部門の教員を雇用するのを支援することで、学術研究能力を高め、量子コンピューティングと量子コミュニケーションの進歩を長期的にサポートすることを目的としている。これまでに、このプログラムを通じて全国で13人の教員ポストに資金が提供されている。
• Quantum Leapの活動とコアプログラムに加えて、NSFはQISに焦点を当てたいくつかのセンターとハブをサポートしている。これらには、カリフォルニア工科大学の量子情報物質研究所（Institute for Quantum Information and Matter, IQIM）、ハーバード大学とMITの超低温原子センター（Center for Ultracold Atoms, CUA）、メリーランド大学のJQI、コロラド大学のJILAの4つの物理学先端センターが含まれる。NSFは、ニューメキシコ大学の量子情報コンピューティングセンター（Center for Quantum Information and Control, CQuIC）、ハーバードスミソニアン天体物理学センターの理論原子分子物理学研究所（Institute for Theoretical Atomic, Molecular and Optical Physics, ITAMP）、ハーバード大学の統合量子材料科学技術センター（Center for Integrated Quantum Materials, CIQM）、アリゾナ大学の量子ネットワーク工学研究センター（Center for Quantum Networks, CQN）、複数の機関が関わるSoftware-Tailored Architecture for Quantum co-design（STAQ）³⁰やEnabling Practical-Scale Quantum Computing (EPiQC）プロジェクト³¹もサポートしている。

DoEのQISの取り組みは、そのミッション遂行に必要によるものであるとともに、物理学の基礎研究に対する国内最大の支援機関であるというDoEの位置づけ、傘下の研究機関独自の能力と専門性を反映している。

• DoEは、科学局（Office of Science）内の先端科学コンピューティング研究（Advanced Scientific Computing Research, ASCR) 、生物・環境研究（Biological and Environmental Research, BER) 、基礎エネルギー科学（Basic Energy Sciences, BES) 、核融合エネルギー科学（Fusion Energy Sciences, FES) 、高エネルギー物理学（High Energy Physics, HEP)、核物理学（Nuclear Physics, NP)といった研究担当部局を通じて、コンピューティング、シミュレーション、センシング、通信などのDoEの主要領域における初期段階のQIS研究に投資している。またエネルギー省国家核安全保障局（The DoE National Nuclear Security Administration）も、ミッション関連のシミュレーションのためのアルゴリズムの開発とテストベッドの展開を行っている。
• DoEは、2019年8月、量子コンピューターとネットワークの開発推進に6070万ドル、素粒子物理学と核融合エネルギーに関連したQIS研究に2140万ドルを投資することを公表した。さらに2020年4月、QISと核融合エネルギーの追加研究にさらに1200万ドルを投資することを公表している。
• DoEは、2020年8月、５つの国立QIS研究センターの設立を公表した。この研究センターはNQIAによって設立・運営が指示されたものである。この5機関には、11のDoEの研究機関、39の学術機関、14の企業が関与している。5機関の概要についてはⅢ.3に記述する。

QISはDoDの11の最優先近代化領域の一つに位置付けられ³²、研究工学担当次官室（Office of the Under Secretary of Defense for Research and Engineering, OUSDRE）、国防高等研究計画局（Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）、陸軍研究所（the Army Research Laboratory, ARL）、陸軍研究局（the Army Research Office, ARO）、海軍研究所（the Navy Research Laboratory, NRL）、海軍研究局（the Office of Naval Research, ONR）、空軍研究所（the Air Force Research Laboratory, AFRL）、空軍研究局（the Air Force Office of Sponsored Research, AFOSR）といった組織がQISを推進・支援している。

• OUSDREは、DoDの技術近代化の最優先分野の1つである量子科学における技術近代化における、DoDの取り組みを主導するために、2018年に量子科学の主任ディレクターを任命した。
• DoDの最も権威のある研究者賞であるVannevar Bush Faculty Fellowshipは、変革をもたらす可能性のある基礎研究に与えられる。現在、数人のVannevar Bush FellowsがQISの研究活動を主導している。
• DoD研究開発プログラムは、原子時計、量子センシング、量子コンピューティング、および量子ネットワーキングにまたがっており、基本的なものから応用的なものまでカバーしている。
• DARPAQISプログラムには、ノイズあり中規模量子デバイス（Noisy Intermediate-Scale Quantum、量子ビット数が数十個から数百個程度の量子コンピューターの総称）を使用した最適化が含まれている。
• ARLとAROは、分散量子情報センター（Center for Distributed Quantum Information）をサポートしている。
• AFRL情報局は、ニューヨーク州立大学（SUNY）および他のいくつかの組織と提携して、基礎科学とイノベーションのためのオープンキャンパスであるInnovare Advancement Center³³を設立した。2020年度末には、ここで100万ドルをかけてInternational Quantum U Tech Acceleratorイベント³⁴を開催した。さらに、2020年度、AFRLは量子コライダーイベント³⁵を開催し、提案が採択された企業はSTTR PHASE I契約（米国政府による中小企業向け研究開発助成金）に向けて量子情報技術に関するアイデアをプレゼンした。
• その他のハイライトとして、AFOSRとAROによる新規の学際的大学研究イニシアチブ（Multidisciplinary University Research Initiative, MURI）、およびUMD（University of Maryland）Quantum Technology Centerとの新しいパートナーシップ、OUSDREの高度な量子センシングに関するセンターオブエクセレンスの設置、人材開発と教育活動としてAFRLの新しい量子短期コース、量子サマーキャンプへの高校生と学部生の参加をサポートするためのARO助成金が挙げられる。

NASAは、高速で忠実度の高い宇宙から地上への量子ネットワークリンクの設計、開発、配備に関する調査を開始した。2020年1月、NASAとNISTは、宇宙通信とネットワーキングの重要な量子技術に焦点を当てた「宇宙量子通信とネットワークに関するワークショップ」を共催した。数年間、NASAエイムズ研究センターにある量子人工知能ラボ（Quantum Artificial Intelligence Lab, QuAIL）は、NASAが直面する計算上の課題に関する量子コンピューターの可能性を評価するためのハブとして機能し、2019年10月に発表された量子超越性のマイルストーン達成に貢献した³⁶。

NSAの物理科学研究所（Laboratory for Physical Sciences, LPS）は、1990年代半ばから量子コンピューティングと実現技術（enabling technologies）を継続的に支援してきた。LPSには現在、固体物理学部や量子物理学部を含む、情報科学および技術に関連する4つの主要部門がある。LPSの量子プログラムは、複数の量子ビット技術にまたがり、研究所内部の研究グループの他に国内外の研究者にも資金を提供している。LPSは、超伝導量子ビット、トラップされたイオン、シリコン中の量子ビット、新しい量子ビット科学技術、量子状態変換、および中規模量子システムの特性評価等を調査研究している。また、量子コンピューティング大学院研究（Quantum Computing Graduate Research, QuACGR）フェローシッププログラムで大学院生に資金を提供している。その他、DoDと協力して研究開発コミュニティのコンピューティング用量子ビットのファウンドリーに対する関心とニーズに対する情報招請を行った。

IARPAは、インテリジェンスコミュニティと連邦政府に革新的なテクノロジーを提供するため、ハイリスク・ハイリターンの研究開発を支援するために国家情報長官室に設置されている組織である。過去10年間、量子コンピューティングを探求するいくつかの応用研究プログラムを実施してきた。現在、スケーリングの複雑さを改善することで量子アニーリングを発展させることに注力するQuantum Enhanced Optimization（QEO）や、不完全な物理キュービット（量子ビット）を論理キュービットにエンコードするソリューションを探すLogiQプログラムが進行中である。

2016年にIBM Cloudを通じて量子コンピューティングの提供を開始した。現在、IBM Cloud上では、超伝導方式の5キュービットのIBM Canaryや27キュービットのIBM Falconプロセッサー等の24以上のシステムが安定稼働している（2020年9月時点）³⁷。

IBMは2020年9月に65キュービットのプロセッサーHummingbirdをリリースし、2021年に127キュービットのEagle、2022年に433キュービットのOsprey、2023年に1121キュービットのCondorをリリースするというロードマップを発表している³⁸。

また、IBMは、27キュービットのFalconプロセッサーを搭載したIBM quantum System Oneを2021年6月にドイツのフラウンホーファー協会³⁹および2021年7月に日本の新川崎・創造のもり かわさき新産業創造センター」に設置している⁴⁰。

Googleはカリフォルニア州サンタバーバラに製造設備も備えた量子コンピューティングの研究開発センターGoogle Quantum AI Campusを整備し、量子コンピューティングの研究開発を進めている。現在、Googleは超伝導方式の72キュービットプロセッサーBristleconeを2018年に、54キュービットプロセッサーのSycamoreを2019年にリリースしているが⁴¹、2029年までに100万キュービットにスケールアップし、大規模なビジネスおよび科学計算をエラー無く実行できる商用量子コンピューターを開発するという目標を掲げている⁴²。

MicrosoftはAzure Quantumと銘打ち、クラウド上で量子コンピューティングを提供している。

Microsoftは現在自社の量子プロセッサーを保有しておらず、量子コンピューティングについてはHoneywell(（現Quantinuum）、IonQ、Quantum Circuitsとパートナーシップを締結し、これらの企業のハードを利用する一方、「マヨラナフェルミオン (粒子と反粒子が同一である) を用いたトポロジカル量子コンピューティング」⁴³というアプローチで研究開発を進めている。

AmazonはAmazon Braketという、「量子コンピューティングための科学的研究とソフトウェア開発を高速化するために設計された、フルマネージド量子コンピューティングサービス」⁴⁴を提供している。ハードウェアは、IonQ、Rigetti、D-Wave⁴⁵のものを利用している。

2021年11月にHoneywellの量子コンピューター部門であるHoneywell Quantum SolutionsとイギリスのCambridge Quantumが経営統合して設立した企業。Honeywell Quantum Solutionsはイオントラップ方式を採用した量子コンピューターを開発しており、Cambridge Quantumは2014年設立の複数の量子コンピューティングプラットフォームで利用されるソフトウェア、サイバーセキュリティ、アルゴリズムを提供する企業⁴⁶である。Quantinuumは自らを「世界最大かつ最先端の統合型量子コンピューティング企業」と謳っている⁴⁷。2021年12月に、量子サイバーセキュリティ製品のローンチ、2022年後半には、医薬品、材料科学、特殊化学品、農薬などの複雑な化学計算に対応する量子計算ソフトウェアパッケージのローンチを予定している⁴⁸。

2013年にチャド・リゲティがイェール大学とIBMで量子ハードウェアの研究員を務めた後に設立した企業⁴⁹。2017年から自社プロセッサーによる量子コンピューティングをクラウドサービスとして提供している。現在、Rigettiのコンピューティングサービスは、Rigetti Quantum Cloud Services、the Strangeworks Ecosystem、Amazon Braketで利用可能で、2021年12月に40キュービットプロセッサーが稼働する。また2021年12月には、Rigetti固有のマルチチップ技術を活用して２つの40キュービットチップを組み合わせた80キュービットのプロセッサーのβ版の提供が発表された⁵⁰。

2015年に設立したスタートアップ企業。イオントラップ方式を採用して製品開発を行っている。2019年からAmazonとMicrosoftのクラウドサービス上で、2021年からはGoogle Claud上でも量子コンピューティングを提供している⁵¹。

2021年10月にニューヨーク証券取引所に上場した。

2015年にイェール大学応用物理学部の教授がスピンアウトして設立したスタートアップ企業⁵²。一つのチップに多くのキュービットを搭載して性能を出そうとするのではなく、モジュールをつなぎ合わせて量子コンピューターを構築するというアーキテクチャーに特徴がある⁵³。Microsoftと提携し、Microsoft Azure上で量子コンピューティングを提供することを目指している。

リード研究所：Argonne National Laboratory

Q-NEXTは、量子インターコネクトを提供し、国のファウンドリーを確立し、通信リンクやセンサーのネットワーク、シミュレーションテストベッドを実証することに焦点を絞ったエコシステムを形成する。 Q-NEXTは、科学的イノベーションを可能にすることに加えて、量子人材を育成し、国立量子デバイスデータベースを構築することによって量子標準を作成し、センターのあらゆる活動に産業界を巻き込み、スタートアップにインセンティブを与えることによって、量子技術の実用的な商業化を推進する。

リード研究所： Brookhaven National Laboratory

C2QAは、今日のノイズの多い中間スケール量子（NISQ）コンピューターシステムの制限を克服して、高エネルギー、原子力、化学、および凝縮物質の物理学における科学的計算の量子優位性を実現することを目的とする。C2QAは5年間で、ソフトウェアの最適化、基盤となる材料とデバイスのプロパティ、および量子エラー訂正のそれぞれで10倍の改善を実現し、これらの改善を組み合わせて適切な計算指標で1,000倍の改善を実現することを目標としている。

リード研究所：Fermi National Accelerator Laboratory

SQMSの主要ミッションは、コンピューティングとセンシングのための優れた量子システムの構築と展開を可能にすることを目的として、超伝導2Dおよび3Dデバイスのデコヒーレンスメカニズムを理解し排除するという分野横断的な重要課題に対し変革的な進展を達成することである。 科学上の進展だけでなく、SQMSは、国のQISエコシステムに広く役立つ可能性のある材料、物理学、アルゴリズム、およびシミュレーションのためのファウンドリー機能と量子テストベッドという有形の成果物の提供にも取り組む。

リード研究所：Lawrence Berkeley National Laboratory

QSAのミッションは、科学的アプリケーションで認定された量子優位性を提供するために必要なアルゴリズム、量子デバイス、およびエンジニアリングソリューションを共同設計することである。 QSAの学際的なチームは、中性原子、トラップ型イオン、超伝導回路に基づく高度な量子プロトタイプと、不完全なハードウェア用に特別に構築されたアルゴリズムを組み合わせて、科学計算、材料科学、基礎物理学の各プラットフォームに最適なアプリケーションの実証を行う。

リード研究所： Oak Ridge National Laboratory

QSCのミッションは、量子状態の回復力、可制御性、そして最終的には量子技術のスケーラビリティに関する主要な障害を克服することである。革新的なトポロジカル量子材料、アルゴリズム、センサーの発見、設計、実証を統合することによって、この目標を達成する。また、科学的な目標に加えて、QSCは、専門能力開発のための充実した環境を用意し、新しいQISアプリケーションを民間セクターに移行するために産業界と緊密に連携することによって、次世代のQIS人材を育成する。