世界初、量子研究のブレークスルーでフルスピンキュービットの制御が可能に

デンマークのコペンハーゲン大学の研究チームは、量子コヒーレンスを損なうことなく、すべての量子ビットを同時に動作させることができる世界初の量子コンピューティングシステムを設計しました。この研究は、量子のスケーリングと主流化のために残された重要な障害の1つを取り除く画期的なものであると評価されます。

量子コンピューターはまだ初期段階にあるため、さまざまな技術や量子ビットの種類が同時に研究されています。デンマークのチームは、スピン量子ビットという特殊なタイプの量子ビットでブレークスルーを達成しました。スピン量子ビットは、量子ベンチマークに関する最近の記事でご紹介しました。この記事では、スピン量子ビットを採用しているIonQ社が、他のシステムと比較して顕著な結果を出しています。

今回の研究を指揮したKuemmeth教授は、「より強力な量子プロセッサーを実現するためには、量子ビットの数を増やすだけでなく、同時演算の数も増やす必要があります。」

量子コンピュータを実現するためには、量子ビット（コンピュータのコアのようなもの）を増やしてシステムの処理能力を向上させる「スケーリング」と、処理中のシステムの安定性や結果の正確さを示す「コヒーレンス」の2つが重要な要素となります。今回の研究では、量子のスケーリングはすでに実現しているので、コヒーレンスの部分に焦点を当てています。スケーリングの問題はすでに大きく進展していますが、コヒーレンスの問題は、これまであまり進展していませんでした。

研究チームのメンバーであるAnasua Chatterjeeは次のように述べました。「非常に優れた量子ビットを手に入れた今、重要なのは、多数の量子ビットを動作させることができ、かつ量子計算エラーを修正できるほど複雑な回路でそれらを接続することです。これまでのスピン量子ビットの研究では、2x2または3x3の量子ビットを配列した回路を作るところまではできました。問題は、その量子が1つずつしか扱えないことです。」

例えば、手紙の中身を読むには、手紙が入っている封筒を実際に開けて中身を確認しなければなりません。しかし、手紙が届くまでに封筒の状態が変化するのと同じように、手紙を読もうとすると量子ビットの状態も変化します。量子物理学では、これまで1つの量子ビットを操作すると、周囲のシステムが（基本的に）壊滅的なデコヒーレンスになっていました。基本的に、結果は正確ではなくなります。今回の研究では、そのようなカオス状態に陥ることなく、量子ビットのサブシステム全体を操作・測定する方法があることが証明されました。

Chaterjeeは次のように述べました。「チップの新しくて本当に重要な点は、すべての量子ビットを同時に操作・測定できることです。これは、スピン・クビットでも、他の多くの種類のクビットでも、これまでに実証されたことはありません」。

もちろん、この画期的な成果はそれだけでは成り立たず、研究に終わりはありません。研究者たちは、自分たちのアプローチにおける最も重大な限界を明らかにしています。研究者たちが採用した制御メカニズムは、量子コヒーレンスを維持できることが証明されていますが、現在の設計では、システムを実際に動作させる48個の制御電極を手動で継続的に調整する必要があります。研究チームは現在、人手を介さずにシステムを自動的に調整できるAI制御システムを検討しています。今回のブレークスルーにより、スピン量子ビットは、スケーラブルでコヒーレント、かつ効率的な量子コンピューターを実現するための最速の方法として、再び注目を集めることになるかもしれません。それは時間が解決してくれるでしょう。