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量子コンピューティング:研究チームが1億回の量子演算を達成

  • 技術
2022/3/21

米国エネルギー省(DOE)アルゴンヌ国立研究所とシカゴ大学の研究チームが、量子ビットを5秒以上にわたってコヒーレント状態(量子力学や量子光学において、古典的なコヒーレント光に最も近い量子状態のこと)に維持する新記録を樹立した。学術誌『Science Advances』に論文として掲載された。この研究結果は、量子コンピューターから実用的な成果を引き出すための重要なステップだ。量子コンピューターの性能をスケールアップさせ、待ち望まれている量子超越性の実現に接近させるものとして評価されている。

量子コンピューターは、コヒーレント状態の維持が難しいことで知られる。「統制されたカオス」は本質的に脆弱であり、量子ビットの情報と接続(量子もつれ)は通常、1秒よりもはるかに短いスケールで劣化してしまう。今回の研究は量子演算のコヒーレント性を、人間が知覚可能な時間スケールで実現した。研究チームは「シングルショット読み出し(single shot readout)」と名付けられた手法により、精密レーザーパルスで電子を1個ずつ量子ビットに追加した。

シカゴ大学の大学院生エレナ・グレンは、「放出される光は、電子の有無に加えてその約1万倍の信号を反映する」と説明する。「壊れやすい量子状態を、安定した電荷に変換することで、はるかに容易に状態を測定できるようになる。信号をブーストすることで、量子ビットが置かれた状態を確認するたびに信頼できる答えが得られるようになる。私たちが『シングルショット読み出し』と呼ぶこの測定手法により、多くの有用な量子技術の実用化の扉が開かれる」

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電子を1つ追加することは、量子状態に対して「PCのリセットボタン」を押すようなものだ。量子ビットは外部からの干渉に敏感であるため、この方法により、それまでに蓄積されたエラーをすべて除去し、コヒーレントな状態を「持続」させることができる。量子と電子の領域を橋渡しする発想であり、これには素材の選択が非常に重要だ。研究チームは、どちらの領域でも機能する特性をもつ炭化ケイ素を利用した。

「要するに、私たちは量子状態を電子の領域へと変換する翻訳機を発明した。変換後の電子の言語は、典型的な電子機器、例えばスマートフォンで使われているようなものだ」と、論文の共同筆頭著者であるシカゴ大学のクリス・アンダーソンは言う。「私たちが生み出したいのは、単一電子への感受性を備えつつ量子状態を維持できる次世代デバイスだ。炭化ケイ素は、これらを両立できるため、素晴らしい優位性をもっていると考えている」

たかが数秒と思うかもしれないが、コンピューターの世界では時間の流れが特殊だ。これまではコンマ数秒だった安定量子状態が5秒になれば、利用可能な量子ビットから、より多くの演算時間を抽出できる。さらに、純粋な量子ビットの数を超えて処理能力を向上させる、新たな手法の可能性も見えてくる。研究チームの推定では、この5秒間に約1億回の量子演算が実行可能だ。そうなると、量子コンピューティングは予想よりもずっと早く、ビットコイン政府、企業、個人が現在利用している暗号化方式を脅かすことになるかもしれない。

「量子情報が、このように人間の時間スケールで保持されるのは珍しいことだ」と、アルゴンヌ国立研究所の上席研究員であるデイヴィッド・オーシャロムは言う。「5秒というのは、月に光速で送った信号が戻ってくるのに十分な長さだ。量子ビットの情報を、光を使って誰かに送信したいなら、これは強力なアドバンテージになる。送信した光は、地球を40回ほど周回したあとでも量子ビットの状態を変わらず正確に反映する。分散型量子インターネットの基盤となりうる技術だ」

今回の技術と、フォトニクス(光工学)ベースの量子コンピューティングを組み合わせることで、スケーラブルで光速の分散型量子コンピューティングネットワークが実現する可能性がある。研究チームは、この研究結果が量子中継機の開発につながることを期待している。また、素材として炭化ケイ素を利用することで、単一電荷に敏感な従来の電子機器において、典型的なCMOS(相補型金属酸化膜半導体)製造技術を、電子スピンベースのシステムに統合することが可能になると期待されている。

この記事は、Tom’s HardwareのFrancisco Piresが執筆し、Industry Dive Content Marketplaceを通じてライセンスされたものです。ライセンスに関するお問い合わせはlegal@industrydive.comまでお願いいたします。

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