大規模イオントラップ量子コンピュータに向けた省配線・低温電圧制御技術を実証 ──時分割多重化による低温環境での効率的な電極制御──

2026-08-31 キュエル株式会社,大阪大学,東京大学

キュエル、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で問題となる制御配線の増大を解決するため、時分割多重化（TDM）を利用した低温電圧制御技術を開発した。QCCD方式では、多数の電極を個別に制御してイオンを保持・移動させるため、量子ビット数の増加に伴って配線や電圧生成回路が増大する。研究チームは、室温側から送られる電圧信号を低温側のスイッチ回路で時間的に切り替え、複数の電極へ分配する方式を実装した。さらに、イオンの位置・状態を維持する低速な電圧制御と、イオン輸送に必要な高速な電圧制御の双方について、低温環境でTDMが機能することを確認した。これにより、複数電極でアナログ配線や電圧生成回路を共有でき、大規模量子コンピュータの制御系を簡素化できる可能性が示された。

図1：（左）QCCD 方式のイオントラップ量子コンピュータ（右）QCCD 方式のイオントラップ量子コンピュータに必要な制御リソース

＜関連情報＞

スケーラブルなトラップイオン量子プロセッサのための極低温時分割多重電圧制御
Cryogenic time-division-multiplexed voltage control for scalable trapped-ion quantum processors

Ryutaro Ohira;Shinichi Morisaka;Yoshinori Kurimoto;Toshiaki Inada;Ippei Nakamura;Takefumi Miyoshi;Atsushi Noguchi
Applied Physics Letters Published:August 31 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0344625

Trapped-ion quantum computers based on the quantum charge-coupled device architecture require on the order of ten trap electrodes per qubit, making the number of vacuum feedthroughs a bottleneck at the system scale. Time-division multiplexed (TDM)-based voltage control for trap electrodes provides a natural route to alleviate this constraint. However, previous studies have been limited to architectural proposals for static trap-potential compensation and room-temperature demonstrations of dynamic-electrode control, leaving cryogenic operation of TDM-based voltage control for static and dynamic electrodes experimentally unexplored. In this study, we develop and cryogenically validate TDM-based voltage control schemes for two distinct electrode classes. For static electrodes used in trap-potential compensation, we implement a 32-channel demultiplexed system operating at approximately 27 K, achieving an effective voltage update rate of 37.5 kHz with an output range of ±10V per channel. For dynamic electrodes used in ion operations, such as shuttling, we implement a four-channel demultiplexed system operating at approximately 14 K, achieving an effective voltage update rate of 1 MHz with a comparable output range. These results establish TDM-based voltage control as a practical approach for both electrode classes, providing a path for mitigating the vacuum feedthrough bottleneck in scalable trapped-ion quantum processors.