仕組み：量子コンピュータの作成

シリコン半導体は、コンピューティングの道を目覚ましい進歩を遂げてきました。しかし、シリコン半導体が今後もさらに高速化、高性能化を続けても (そして、その実現はますます困難になっています)、従来のコンピューティングには限界があります。

コンピューティングにおける次の本当のゲームチェンジは量子です。量子力学的な物質の特性を利用して情報を処理すると、現在最大かつ最強のスーパーコンピューターがポケット計算機のように見えるようになります。そして初めて、IBM などの企業の科学者たちは、量子コンピューターの理論化を超えて、完成した量子コンピューターがどのように動作するかを実際に想像する段階に進んでいます。世界中の研究所で、最初の量子コンピューターの最初の構成要素が徐々に現実のものになりつつあります。

実際に機能する量子コンピュータは、まさに私たちの足元の地盤を動かすようなものであることを考えると、これは非常に大きなことです。比較的小規模な量子コンピュータがあれば、科学者は高度な暗号化方式を解析し、前例のない精度で量子システムをモデル化し、複雑で構造化されていないデータベースを比類のない効率でフィルタリングすることができます。

しかし、まずはそれを構築しなければなりません。

量子コンピューティングの考え方は、1980 年代初頭に物理学者リチャード ファインマンによって提唱されましたが、この分野はまだ初期段階にあります。しかし、理論と実用が融合するにつれて、学問分野としては重要な転換期を迎えています。量子コンピューターを構築する方法は複数あり、これらのアプローチのうちどれが (もしあるとすれば) 実用的なシステムを生み出すのかを知るには、まだ時期尚早です。しかし、量子の世界を利用するこれらのさまざまなアプローチすべてに共通する 1 つのテーマがあります。それは、すべて量子ビットに関することです。

従来のコンピューターと同様に、量子コンピューターは情報の単位に依存しています。従来の世界では、それはビット (1 バイトは通常 8 ビットで構成されます) であり、各ビットは 0 または 1 の 2 つの状態のいずれかで存在できます。MP3、テキスト、ドキュメント、Tumblr など、すべてのデータはビットの行にすぎません。

ビットの量子アナログは、キュービットと呼ばれます。ビットとは異なり、キュービットは 0、1、または重ね合わせの状態として存在できます。重ね合わせの状態とは、量子用語では基本的に、同時に 0 と 1 の両方であることを意味します。ここから、物事が直感的ではない、量子特性の奇妙な領域に入ります。「量子状態におけるすべての可能な答えの海から始めて、間違った答えを剥ぎ取って正しい答えが現れるアルゴリズムを設計します」と、IBM リサーチの実験的量子コンピューティング研究チームのマネージャーであるマティアス ステフェンは言います。一度に 1 つの問題に対する解決策を考えるのではなく、複数の可能な解決策を同時に考えることができます。

この気が遠くなるような計算の成果を私たちと結びつけるには、大きな課題が立ちはだかっています。量子スケールで作業するということは、通常、絶対零度に近い極低温で作業することを意味します。粒子自体は気まぐれです。コヒーレンス時間 (量子状態が崩壊する前に、慎重に構築された量子システムをコンピューターが読み取ることができる時間) は、わずかマイクロ秒単位で測定されます。また、量子計算には一般に固有の誤差があるため、量子コンピューターはエラーを常に修正する必要があります。

さらに、量子状態を測定するという問題もありますが、これは量子状態を崩壊させる傾向があります。この問題を解決するには、量子相関または量子もつれ (2 つの粒子の状態を離れた場所でも結び付け、一方に影響を与えると他方にも影響を与える奇妙な量子現象) を熟知している必要があります。そうしないと、研究者は量子システムを破壊せずに実際に測定できなくなります。言うまでもなく、これはどれも決して簡単なことではありません。

そのため、研究者たちは小規模なところから始め、知力と研究費を単一の安定した量子ビットの開発に注ぎ込んでいます。そして最終的には数十、数百、数千、数万の量子ビットの連なりへと発展させていきます。では、将来の量子コンピューターはどのようなものになるのでしょうか。まだはっきりとはわかりませんが、いくつかの異なるアプローチが大きな可能性を示しています。

人工原子

量子ビットを作る方法は 1 つではありません。本当に必要なのは、古典的なスキームの 0 と 1 の類似物として機能する、2 つの異なる定義された量子エネルギー レベルを提供できるものだけです。多くの潜在的な量子ビットは自然現象であり、原子核、イオン、または電子の量子特性を操作して、情報を量子システムにエンコードします。しかし、望む特性を持つ量子ビットを人工的に製造できるとしたらどうでしょうか。

このアプローチは、超伝導量子ビットの完成を目指す量子コンピューティング研究の分野全体を生み出しました。おそらく驚くことではないかもしれませんが、IBM Research はこの分野のリーダーとして台頭してきました。このアプローチは、同社の超伝導、微細加工、そしておそらく最も重要な、技術を最終製品にスケールアップする専門知識とうまく融合しているからです。

複雑な物理学の多くを除けば、超伝導量子ビットは人工原子と考えるのは簡単です。技術的に言えば、超伝導量子ビットは、ジョセフソン接合と呼ばれるデバイスに振動電流を流す 2 つの超伝導材料で構成され、量子物理学の魔法により、量子ビットは電流が持つ可能性のある多数の振動周波数から 2 つだけを切り出し、それらの周波数を古典的な 0 と 1 として使用できます (ここでは詳しく説明しませんが、これらの振動を制御することで量子ビットの基本要件が満たされると言えば十分でしょう)。

超伝導量子ビットの主な利点は、製造可能であるためカスタマイズが可能で、最終的には数百または数千の量子ビットを備えたより大規模な量子コンピュータに拡張できることです。しかし、最近、最高 10 ～ 100 マイクロ秒の記録的なコヒーレンス時間と 95 パーセントの成功率のゲート操作を実証した IBM のチームでさえ、この方法が勝者であると宣言するにはまだ時期尚早であることを認識しています。

「超伝導アプローチは大きな可能性を秘めており、我々はそれが最有力候補だと考えている。だからこそ我々はそれに取り組んでいるのだ」とIBMリサーチの情報物理学イニシアチブを率いる物理学者マーク・ケッチェンは言う。「しかし、まだ初期段階であり、状況は変化する可能性がある。5年後には、このシステムは大きく変わっているかもしれない。」

電子スピンを利用する

それは、超伝導量子ビットが唯一の選択肢ではないからです。ハーバード大学のアミール・ヤコビー博士は、量子ドット（独自の電子特性を持つ小さな半導体結晶）内の電子のスピンを介して情報をエンコードする可能性を研究しています。大まかに言えば、電子には2つの可能なスピン状態（左と右と呼びます）があり、古典的なビットの0または1の状態を表すことができます。量子ドットに閉じ込められた電子スピンは、測定および操作できます。しかし、これにより、量子コンピューティングに共通する問題が発生します。

これは、量子システムを扱う際によくある逆説的な問題であるシュレーディンガーの猫によってもたらされた問題と同じです (このすべてをより深く理解するには、悪名高い猫と量子エンタングルメントについて読んでください)。研究者が実用的なキュービットを作成するために求めているのは、環境から切り離すのに優れたもの、つまり外部要因の影響を受けないものです。同時に、計算​​を制御できるように、外部の力によって操作できるものも必要です。

実行可能な量子コンピューティング システムのこれらの矛盾したニーズを満たすものを見つけるのは特に簡単ではありませんが、電子スピンはパラドックスの両側を満たすのに大いに役立ちます。原子レベルで言えば、スピンは長期間存続するため、スピンに情報をエンコードすると、比較的長期間システム内に存在し、一貫性の向上に貢献します。量子ドットに閉じ込められた電子は、弱い磁場に反応しながらも環境から切り離すことができます。弱い磁場は十分に弱く予測可能なため、量子システムにエラーを生成するノイズを導入した場合でも、エラーを修正するのは比較的簡単です。

それでも、スピンは、非常に小さな粒子で非常に大きなことをしようとしている量子コンピューティング コミュニティの多くの人々を悩ませている問題から逃れることはできません。超伝導量子ビットと同様に、量子ドット コンピューティングは、絶対零度より 10 分の 1 度高いような非常に低い温度で実行する必要があります。量子の複雑さはさておき、数個以上の量子ビットを持つこのようなシステムを製造することに伴うエンジニアリング上の課題は、気が遠くなるようなものです。しかし、ヤコビーは動じません。

「1,000 個または 1 万個の量子ビットを冷却するという技術的な課題に直面する前に、多くの発見があると思います」とヤコビー氏は言う。「私は、そのレベルが私の生きている間に達成されると楽観的に、非常に自信を持っています。」

イオンの捕捉

しかし、量子ビットの候補を見つけるのに、原子核のサブレベルまで深く掘り下げる必要はありません。イオンは、電子と陽子のバランスが崩れ、正味の電荷を持つ原子で、原子核のスピンが 0/1 の古典的状態を表す素晴らしい量子ビットになり得ます。イオンは電界に捕らえられ、真空チャンバー内でレーザー冷却されるため、脆弱な量子状態を乱す可能性のある外部要因から非常によく隔離され、非常に長いコヒーレンス時間が得られます。また、イオンは電荷を持っているため、電界を介して中性原子よりもはるかに操作しやすいという利点もあります。

しかし、真空チャンバー内にイオン 1 個 (または数個) を閉じ込めるのは比較的簡単ですが、高度に調整された電界と、非常に正確なタイミングでオンとオフを切り替える必要のある冷却レーザーに依存するシステムは、イオンが増えるごとに非常に複雑になります。数十または数百のキュービットを考え始めると、この種のシステムを拡張するというアイデアが主な課題になります。

「トランジスタのように、チップ上に 100 個、1,000 個、100 万個のイオンを組み込むことはできません」と、ワシントン大学トラップイオン量子コンピューティング グループの主任研究員で物理学准教授のボリス ブリノフ氏は言う。「それが、現在私たちが通常のコンピューターをスケールアップする方法です。イオンの場合は、量子コンピューティングに必要な方法で相互作用するように、イオンを 1 か所に配置する方法を考え出さなければなりません。この点では、イオンは不利です。」

ブリノフ氏と彼のチームは、多数の微細加工イオントラップを採用したモジュール方式でこの問題を回避しようと取り組んでいる。チップ状のトラップはそれぞれ数個のイオンを保持できるが、多すぎない。チップ間の相互作用は、光ファイバーケーブルのネットワークを介してシステム全体に光子を照射することで実現する。これらの単一光子をトラップされたイオンと絡み合わせ、システム全体に照射することで、システム内の異なるチップ上のイオンが量子レベルで相互作用できるようになる。

難解に聞こえるだろうか？その通りだ。しかし、バリウムイオンを使った研究で、ブリノフ氏と彼のグループはゆっくりだが着実に進歩している。もし彼らか他の研究グループがスケーラビリティの問題を解決できれば（そして現時点ではこの分野には「もし」がたくさんある）、イオンは将来の量子コンピューターで実用的な量子ビットになる可能性がある。

未来のスーパーコンピュータ

もちろん、同じことは、前述の潜在的な量子ビットのいずれにも、また世界の物理学界で少しずつ前進している量子コンピューティングへの他の多くのアプローチにも言える。最終的に機能する量子コンピューターを生み出す方法は、おそらく次の 10 年か、あるいはそれ以降になるかもしれないが、前述の方法のいずれか、研究が始まったばかりの別の方法、あるいはまだ考えられていない方法のいずれかになる可能性がある。

「これはまだ科学的な試みであることを忘れないことが非常に重要です」とハーバード大学のヤコビー氏は言う。「私たちの軌道は、発見によって絶えず中断されます。時には、あることを考えていたのに、別のことが分かったということもあります。これは障害となることもありますが、そうした発見の中には飛躍的な進歩となるものもあります。私たちは研究を進める中で、知らなかったことを発見し、軌道を修正しています。」

しかし、今後の道のりが謎の量子霧に包まれている一方で、完成した量子コンピューターがどのようなものになるかについては、ある程度の合意が得られています。まず、量子コンピューター内で実際に量子アルゴリズムを実行する古典的なコンポーネントが含まれます。これは、古典的なスーパーコンピューターと量子コンピューターの両方で構成される大規模なものになります。量子コンピューターは、量子ビットに応じて、一連の真空チャンバーと光学テーブル、または粒子をほぼ絶対零度（またはまったく別のもの）まで冷却するための一連の過冷却チャンバーになる可能性があります。

この構造は、どのようなものになるにせよ、それ自体が課題です。従来の電子機器は、温度が低くなるほど性能が悪くなるため、低ケルビン温度を必要とする従来のコンピューターと量子コンピューターを接続するには、現在の技術では十分に解決できないエンジニアリングの偉業が必要になります。しかし、量子コンピューティング コミュニティで働く人々は、概して、完璧な量子ビットを構築するのにかかる時間で、実用的なエンジニアリングの問題も自然に解決されると考えています。そして、それが実現すれば、人類の知識のあらゆる領域に劇的な影響を与えるようなコンピューティング パワーが解き放たれると研究者は考えています。それは、私たちがまだ考えていない方法でさえあります。

「コンピューティングがどこへ向かうのかを予測するのはそれほど簡単ではありません」とIBMのステフェン氏は言う。「トランジスタを発明した人たちにそれがどこへ向かうのか尋ねたとしたら、彼らはそれが将来何をもたらすのか想像もできなかったでしょう。量子コンピューティングについても同じことが言えます。」