写真で見る：量子コンピュータの心臓部を垣間見る

数十年にわたり、量子コンピューティングの将来性は、製薬会社、スパイ、IT 企業の CEO たちの心をくすぐってきた。このようなマシンが完成すれば、新薬の発見が加速し、暗号が解読され、AI がデジタル データを解析するのに役立つだろう。この新しい脳は、物体が同時に 2 つの状態をとることができるという、柔軟な「重ね合わせ」の概念に依存している。コインが高速で回転すると、表と裏の両方になる。

従来のコンピューターチップは、携帯電話でもスーパーコンピューターでも、情報をバイナリコードとして処理するトランジスタを搭載しています。つまり、すべては 0 か 1 のいずれかです。量子コンピューターは、0 と 1 の両方になることができるキュービット (「キュービット」) を使用します。量子コンピューターを搭載したマシンは、問題をより速く解決できます。

しかし、問題もある。量子ビットは壊れやすいのだ。干渉があると計算が混乱する可能性がある。イェール大学の応用物理学者ロバート・シェルコップとミシェル・デヴォレは、量子ビットを安定化させる方法を開拓した。彼らは、超伝導体（極低温でも電流に抵抗しない材料）から量子ビットを構築することで、量子アルゴリズムが妨げられることなく流れる空間を作り出した。彼らの研究室を覗いてみると、これらの小さなウェハーに大きな思考をさせるには、大がかりな作業と非常に冷たい冷蔵庫が必要であることが分かる。

↑ 量子ビットは多くのコンポーネントに依存しています。マイクロ波発生器の壁が電磁パルスを生成し、同軸ケーブルの迷路を通って伝わり、この記事の冒頭に表示されている高さ 5 フィートの青い冷蔵庫の奥深くにある量子ビットを作動させます。宇宙よりも冷たい気候を作り出すために、外部ポンプが銅管にヘリウム 3 冷媒を送り込みます。ヘリウムは循環すると圧縮され、液化して冷却されます。最低温度の 0.01 ケルビン (華氏マイナス 459 度) に達するには 1 日かかります。

↑ 大学院生がペアになって作業し、これらのワイヤーを巨大なシリンダーに通して冷却装置の底まで導くのに 2 週間もかかります。

↑ 量子コンピューティングの冷たくエレガントな心臓部である量子ビットをご覧ください。この 1 インチ長のウェハーは、100 ナノメートルの薄い印刷アルミニウム層を上に載せた合成サファイアでできています。非常に低い温度で、マイクロ波光子が Y の接合点を重ね合わせます。その下の波状のストリップが量子ビットの結果を送信します。

↑ コインを投げるよりも複雑なことを解くには、量子ビットのグループが必要です。このようなモジュールがそれらを接続します。イェール大学のチームは、特定の目的のためにこれらのユニットを設計しています。データを処理するもの、データを読み取るもの、データを増幅するものなどがあります。このスケーラブルなレゴのようなアプローチを習得することは、量子ビットを積み重ねるよりも、量子コンピューターを完成させる上でより重要かもしれません。

↑ 冷蔵庫の中は静かです。静電気があると計算エラーを引き起こす可能性があるため、科学者は量子ビットを保護する必要があります。サーキュレーターと呼ばれる一方向バルブ (上の写真の中央フレームに表示されている 4 つの長方形) が、周囲の研究室のノイズなどの干渉を除去します。

↑ 作業はすべてクーラー内で行われるわけではありません。ネットワーク アナライザー (手前) は、信号を送信するために必要なマイクロ波ケーブルが適切に機能していることを確認します。そのすぐ後ろにある背の高い灰色のキャビネットは、冷却ポンプとバルブを管理します。

↑ 大学院生やポスドクは、特定の実験を実行するために、常にカスタム構成を構築しています。そのためには、新しい機能のために数十個の量子ビットと量子ビットネストモジュールを組み合わせる必要があります。ここでは、古いモジュール (左下と右中央) が同軸ワイヤと信号フィルターの間に配置されています。

↑ 昔のクオンツは仕事が減った。15年経ったこの高さ9フィートの冷蔵庫は、研究室の古株の1つだ。若い子ほど注目されない。フレームが狭いので配線が難しく、冷やすには床のマンホールから巨大な冷却容器を持ち上げる必要がある。それでも、新しい設備に空きがなければ、学生たちはこれを引っ張り出して簡単な調査をする。

この記事はもともと『ポピュラーサイエンス』誌のインテリジェンス号に掲載されました。