理化学研究所とQuantinuumは、スーパーコンピュータ「富岳」とイオントラップ型量子コンピュータ「Reimei」を直接統合した計算ワークフローの実証に成功しました。生体分子の励起状態計算において、完全CI計算との励起エネルギー誤差を従来の0.18eVから0.03eVへと大幅に縮小させています。
富岳とReimeiを直結したエンドツーエンド計算基盤の実態
本成果は、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が推進する「ポスト5G情報通信システム基盤強化研究開発事業／量子・スパコン統合利用技術の開発」（JHPC-quantumプロジェクト）の一環として実施されました。
理化学研究所計算科学研究センター（R-CCS、兵庫県神戸市）に設置されたスーパーコンピュータ「富岳」の96計算ノードと、理化学研究所和光キャンパス（埼玉県）に設置されたQuantinuumのイオントラップ型量子コンピュータ「Reimei（黎明）」をAPI経由で直接接続し、完全な非同期ジョブスケジューリングを実行しています。
一部の初期報道においてReimeiを超伝導型とする誤記が見られましたが、本システムはイオントラップ方式（シャトリング型QCCDアーキテクチャ）を採用しています。実験で使用されたハードウェアはSystem Model H1世代の物理20量子ビットで構成され、16個の論理量子ビットを展開しました。
本プロジェクトに至る経緯と関連インフラの展開タイムラインは以下の通りです。
| 時期 | 主な出来事・実証マイルストーン | 採用技術・インフラ構成 |
|---|---|---|
| 2025年2月 | 理研和光キャンパスにReimeiを導入 | Quantinuum System Model H1（20物理量子ビット） |
| 2025年春 | 初期ハイブリッド運用プラットフォームの稼働開始 | 富岳とReimeiのネットワーク連携基盤を構築 |
| 2026年1月 | 生体分子励起状態計算の実証論文を公開 | 富岳（96ノード）×Reimei（16論理量子ビット） |
| 2026年6月 | GPUスパコン「ROQUO」が理研R-CCSで稼働開始 | NVIDIA GB200 NVL4搭載クラスタ |
| 2026年9月 | QURI SDK Enterpriseの採用、マルチQPU実証 | 富岳×Reimei（和光）×ibm_kobe（超伝導・神戸） |
| 2026年11月 | ReimeiのH2世代へのアップグレード完了を発表 | Quantinuum System Model H2（56物理量子ビット） |
実証実験の対象となったのは、視覚受容における光異性化反応の鍵となるカーボンナノチューブマトリックス結合レチナール分子です。計算規模は、生体分子の活性部位と周囲の環境部位を切り分ける減算型ONIOM（QM1/QM2）分割モデルを用いて定式化されました。
弱相関な環境モードであるカーボンナノチューブ壁の計算は富岳上の量子化学計算プログラム「NTChem」が担い、幾何構造最適化、ハートリー・フォック法、および配置間相互作用シングル（CIS）を実行しました。一方、強相関な電子配置を示すレチナール活性部位の計算処理をReimeiがコプロセッサとして引き受けました。
参考記事: 量子シミュレータとは？仕組みからQulacsでの開発、スパコン連携の最新動向まで解説
時間発展量子選択CIと[[18, 16, 2]]アイスバーグ符号による誤差低減
今回の実証において、既存の古典近似計算やノイズのあるNISQ（Noisy Intermediate-Scale Quantum）アルゴリズムを上回る精度を達成できた背景には、アルゴリズム設計と誤り検出コードの高度な統合があります。
トロッター化時間発展を用いたクリロフ部分空間サンプリング
強相関活性部位の計算手法には、時間発展量子選択配置間相互作用（TE-QSCI: Time-Evolution Quantum Selected Configuration Interaction）アルゴリズムが採用されました。
従来の変分量子固有値ソルバー（VQE）などのNISQアルゴリズムは、単一参照アンザッツに依存するため、強い多配置性を持つ励起状態の表現においてパラメータ最適化が局所解に陥る問題がありました。TE-QSCIでは、16個の論理量子ビット上に近似的な完全アクティブスペース（CAS）波動関数を初期化し、電子ハミルトニアンのもとでトロッター分解された時間発展演算子を適用します。
この量子時間発展により、クリロフ部分空間を構成する重要なスレーター行列式（電子配置）が効率的にサンプリングされます。サンプリングされた主要配置の情報は富岳へと送り返され、古典スパコン側で部分空間ハミルトニアン行列を対角化することで、厳密解に近い励起エネルギーを導出します。
[[18, 16, 2]]誤り検出コードによる計算品質の担保
量子ハードウェア実行時の物理ノイズを抑制するため、本実証では[[18, 16, 2]]「アイスバーグ（Iceberg）」誤り検出コードが組み込まれました。このコードは18個の物理イオントラップ量子ビットを用いて16個の論理量子ビットを符号化し、距離2のエラー検出能力を持ちます。
ハードウェア実行では、単一パウリ誤り（重み1のエラー）が発生した場合にシンドローム測定と事後選択（Post-selection）によってエラーを含む測定ショットを破棄します。実験では合計12,214回の物理測定ショットが実行され、誤りを含まない有効な測定結果として67.9%の平均生存率を記録しました。
この誤り検出処理と、量子コンパイラ「TKET」、および非同期データフローフレームワーク「Tierkreis」による富岳ジョブスケジューラとの統合連携により、完全CASCI(8,8)との比較において第一励起一重項（S1）および最低三重項（T0）の励起状態忠実度0.995以上を達成しました。古典ベースラインで0.18eV生じていた励起エネルギー誤差は、化学的精度（約0.043eV / 1kcal/mol）を下回る0.03eVにまで抑え込まれています。
参考記事: 量子誤り訂正の基礎からFTQC実現へのロードマップ｜最新の実証データと開発戦略まで徹底解説
量子・古典ハイブリッドインフラが産業界に与える波及効果
富岳とReimeiによるエンドツーエンドのハイブリッド計算実証は、計算機科学の枠組みにとどまらず、産業全体のインフラ構成と研究開発プロセスに影響を与えます。
量子ハードウェア開発企業
ハードウェア評価の基準が物理量子ビット数から「HPC連携下における論理ビットの実行精度とスループット」へと移向します。Quantinuumがイオントラップ方式の全対全結合特性を活かし、[[18, 16, 2]]コードで67.9%の生存率を維持したことは、高忠実度ゲートと物理接続性の優位性を示しています。超伝導方式や中性原子方式を開発する企業も、単独稼働のベンチマークではなく、古典HPC側ジョブ管理システムと連動したフォールトトレラント性能の開示が求められます。
クラウド・ハイパースケーラー
大規模計算基盤を提供するクラウド事業者にとって、QPUを独立したクラウドAPIとして提供する形態から、GPUクラスタと同様に低遅延バスや高速ネットワークで結ぶ「ヘテロジニアス・アクセラレータ」として組み込むインフラ改修が急務となります。理研が2026年6月にNVIDIA GB200 NVL4搭載の「ROQUO」を導入し、9月には富岳・ROQUO・Reimei・ibm_kobeを統合したマルチQPU基盤の検証を開始している動きは、次世代HPCデータセンターの構成標準を先取りしています。
創薬・材料開発エンタープライズ
製薬企業や機能性化学メーカーにとって、光反応部位、遷移金属錯体、酵素触媒などの電子状態計算における近似エラーは、新薬候補分子の選定ミスに直結する課題でした。古典的手法では計算爆発を起こす強相関領域のみを量子プロセッサに切り出し、環境効果を古典HPCに分担させるONIOM型ハイブリッドワークフローが実証されたことで、高精度な電子状態予測の商用利用が現実的な開発工程へと組み込まれ始めます。
計算基盤の構造的変化
量子コンピュータを単独で汎用計算機として成立させるアプローチから、古典スーパーコンピュータやGPUアクセラレータとワークロードを高度に分散する協調アーキテクチャへと業界全体の開発リソースが集約されています。ジョブ管理、データフロー最適化、量子古典コンパイラを結ぶミドルウェア層が、今後の計算科学プラットフォームの競争軸となります。
参考記事: バイオシミュレーションとは？IT創薬の基礎から最先端AI・スパコン活用まで徹底解説
TechShiftの視点（独自考察）
今回の富岳とReimeiの統合実証は、実用的な耐故障性量子計算（FTQC）への移行期において、論理量子ビットを用いた部分空間アルゴリズム（TE-QSCI）が古典近似手法の限界を補完できることを示しました。
事業責任者および技術責任者が今後のシステム選定や研究開発投資において注視すべき指標は、単なる「物理量子ビット数」ではなく、「HPCバッチ処理内における誤り検出後生存率（Survival Rate）」および「実効化学精度達成に要するトータルレイテンシ」です。
今回の実証では事後選択によって32.1%のショットが破棄されており、測定回数は12,214回に達しています。商用パイプラインでこのワークフローを恒常的に稼働させるには、事後選択による破棄を前提としたサンプリングオーバーヘッドを削減し、2026年11月にアップグレードが発表されたSystem Model H2（56物理量子ビット）環境下で、符号距離3以上の訂正コード適用時にも生存率80%以上を維持できるかが次の採用判定基準となります。
さらに、Tierkreis等のミドルウェアを介した富岳側のジョブキュー待機時間とQPUの物理実行時間の比率が、古典シミュレーションの計算コストを下回る損益分岐点の見極めが必須です。
参考記事: 量子誤り訂正の実用化はいつ？論理エラー率「800倍抑制」が示すFTQCへの技術的閾値
実用化に向けた推奨アクション
ハイブリッド量子HPC基盤の活用を検討する企業の研究開発部門およびITインフラ担当者は、以下のステップで技術検証を開始することを推奨します。
- 対象ケミカルワークロードの多配置相関プロファイル抽出
社内で運用しているDFT（密度汎関数法）や標準的波動関数理論で精度破綻を起こしている強相関反応部位（CAS空間が10電子10軌道を超える領域）を特定し、ONIOM法による部分空間分割の適用可否を評価する。
- QURI SDK等の統合インターフェースを用いた古典ハイブリッド環境の検証
理研のJHPC-quantumでも採用されたQURI SDK Enterpriseなどのツールチェーンを用い、既存の古典量子化学計算コード（Gaussian、NTChem等）とQPUシミュレータ間のデータ受け渡しパイプラインを社内クラスタ上に構築する。
- 誤り検出プロトコルによるショット損失率の定量評価
小規模な論理量子ビット実験環境またはシミュレータ上で、[[18, 16, 2]]などの検出コードと事後選択を適用した際、目的とする統計精度に到達するために許容できるサンプリングコストの限界値を試算する。
出典: QUANTUM BUSINESS MAGAZINE
出典: arXiv (arXiv:2601.15677)
出典: 理化学研究所 公式プレスリリース
出典: Quantinuum 公式発表
