カリフォルニア工科大学、光学トゥイーザーで中性原子キュービットを6,100に拡大

光学トゥイーザーが開発されてから約40年が経ち、現在でも物理学、生物学、医学を革命的に変え続けています。

光学トゥイーザーは、細胞、原子、分子、液滴などの微小な対象物を直接触れずに捕らえ、移動させることができる驚異的なツールです。

これらのツールは集光レーザーを用いて対象物を操作します。高度に集光された光ビームを使用することで、微小および亜微小粒子を三次元で安定的に保持することができます。

ビームは高品質の顕微鏡で一点に集光され、粒子を保持する「光学トラップ」を形成します。この粒子は光との相互作用により散乱光と勾配力からなる力を受けます。

1986年に米国の物理学者アーサー・アシュキンが開発し、2018年にノーベル物理学賞を受賞した光学トゥイーザーは、単一のバクテリア、精子細胞、DNAの鎖、単一粒子と光の相互作用など、さまざまな研究を可能にします。

今日、これらの科学機器はシミュレーションや量子コンピューティングにおける多くの先端実験の基盤となっています。

例えば、実験物理学部と量子光学・量子情報研究所（IQOQI）の科学者たちは、最近、光学トゥイーザーアレイで単一エルビウム原子を捕獲¹し、これらのツールの利用を単純系からより複雑な量子実験へと拡大しました。

数十から数百の原子キュービットを捕獲するこの種の実験は、最近、約千個の原子アレイを実現しました。

しかし、低損失で長いコヒーレンス時間と高忠実度イメージングを備えた数千の原子キュービットへのスケーリングは、量子誤り訂正の進展に不可欠であるにもかかわらず、大きな課題となっていました。

スワイプしてスクロール →

しかし、これはカリフォルニア工科大学の研究者によって実験的に実証されました。彼らは光学トゥイーザーのアレイを用いて、約12,000サイトに6,100個の中性原子を成功裏に捕獲しました。同時に、チームは「プラットフォームの成功を支える複数の指標で最先端の性能を上回った」と述べました。

研究者らは12.6(1)秒のコヒーレンス時間を示し、これは光学トゥイーザーアレイにおけるハイパーファインキュービットの記録です。約23分間持続し、99.98952(1)%という記録的なイメージング生存率と99.99%以上のイメージング忠実度を達成しました。

チームによれば、これらの結果は汎用量子コンピューティングがすぐに現実になる可能性を示唆しています。

なぜ誤り訂正が量子コンピューティングのロードマップを支配するのか

量子コンピューティングは、世界中の研究者や企業の関心を集めています。

BofAのアナリストによれば、量子コンピューティング市場は次の十年の初めまでに約40億ドルの評価額に達すると予測されています。

アナリストは顧客向けのメモで「量子コンピューティングの約束は現実である」と述べ、技術の成長にはまだいくつかの障壁があり、これらが克服されれば「収益のはるかに意味のある転換点が期待できる」と付け加えました。

量子コンピューティングの支持者は、金融、医療、物流、サイバーセキュリティ、材料科学、人工知能を変革する可能性を強調しています。

今週、HSBCホールディングスは金融市場で量子コンピューティングを使用した世界初のブレークスルーを達成したと発表しました。ロンドン本拠の同銀行はIBMのHeron量子プロセッサを債券取引に使用し、特定価格で取引される可能性の予測で34%の改善をもたらしました。

量子処理は欧州の債券取引データの匿名化セットに適用され、市場の効率性を大幅に向上させる能力を示しました。

しかし、他のセクターにおける量子技術の実用的な応用はまだ確立されておらず、批評家は量子コンピュータ革命が遠いだけでなく、限られていると主張しています。

例えば、昨年末、Googleは「Willow」という新チップを発表し、量子コンピューティング分野での大きなブレークスルーと位置付けましたが、ベンチマークは既知の実世界での応用はない²と指摘しました。

それでも、McKinseyは量子技術市場の価値が10年以内に最大で1000億ドルに達すると見積もっています。

これらの数字は、特定の問題が古典コンピュータでは解決できず、量子コンピュータで容易に処理できるという期待に基づいており、他の量子システムの理解と操作に役立ちます。

しかし現在、量子コンピューティングはデコヒーレンスに関して重大な課題に直面しており、キュービットが脆弱でエラーが起きやすくなっています。これにより、信頼できる量子コンピューティングのためには高コストなフォールトトレランスが重要になります。

量子ビット（キュービット）は古典コンピュータのビットに相当します。しかし、古典ビットは常に0か1のどちらかであるのに対し、量子ビットは測定されるまで同時に両方の状態を取り得、複数のキュービットの状態もエンタングル（もつれ）することができます。

この二つの現象、重ね合わせ（キュービットが同時に複数の状態に存在できる能力）とエンタングルメント（キュービットが距離に関係なく結びつき同じ状態を共有できる能力）は、量子コンピュータに古典コンピュータが持たない能力を与えます。

しかし、これらはどちらも非常に脆弱な状態で、環境とのわずかな相互作用でも容易に破壊されます。

電磁干渉から温度変化まで、環境要因はこれらの特性を崩壊させ、結果の不正確さにつながります。したがって、この脆弱性はスケーラブルで強力な量子コンピューティングへの最大の障壁の一つであり、したがって、分野の多くの研究は量子誤り訂正（QEC）に焦点を当てています。

研究者がキュービットの脆弱性に対処しエラーを訂正する方法の一つは、余分で冗長なキュービットを持つ量子コンピュータを構築することです。つまり、堅牢な量子コンピュータは数十万のキュービットを有することになります。

カリフォルニア工科大学の記録破りの中性原子アレイが量と質のバランスを取る

大量のキュービットでエラーを訂正できる量子コンピュータの構築を目指す中、カリフォルニア工科大学の研究チームは、これまでに組み立てられた中で最大規模のキュービットアレイを作り、記録を更新しました。

レーザーを用いて格子状に6,100個の中性原子キュービットを閉じ込めました。従来、この種のアレイは数百個のキュービットしか含んでいませんでした。

Natureに掲載された研究「6100個の高コヒーレンス原子キュービットを持つトゥイーザーアレイ³」は、このマイルストーンを詳細に報告しており、中性原子を利用しています。

中性原子とは、電荷が中性の原子のことです。したがって、陽子数と電子数は同じです。

内部エネルギーレベルを利用することで、研究者は中性原子をキュービットとして使用できます。エネルギーレベルはレーザーや磁場で制御・操作でき、特定の操作を実行できます。

中性であるため、原子同士の相互作用は弱く、大規模な原子アレイを捕獲し、大規模量子プロセッサの構築が可能になります。さらに、中性原子は長いコヒーレンス時間を示し、量子計算に有利です。

しかし、もちろん、捕獲、冷却、操作の精密な制御が必要であるという課題があります。

「これは中性原子量子コンピューティングにとってエキサイティングな瞬間です。大規模な誤り訂正量子コンピュータへの道筋が見えてきました。構成要素は整っています。」

– 研究の主任研究者、Manuel Endres とカリフォルニア工科大学の物理学教授

カリフォルニア工科大学の大学院生 Hannah Manetsch、Gyohei Nomura、Elie Bataille が率いるこの研究は、光学トゥイーザーを用いて数千個の個別セシウム（Cs）原子を格子状に捕獲しました。

原子アレイを構築するために、レーザービームを12,000本のトゥイーザーに分割し、真空チャンバー内に6,100個の原子を保持しました。「画面上で、各キュービットが光の点として実際に見える」とManetschは語ります。「大規模な量子ハードウェアの印象的なイメージです。」

チームは規模の新記録を樹立したものの、品質を犠牲にせず、長いコヒーレンス時間も実現しました。

チームはこれらのキュービットを約13秒間スーパーポジション状態に保ち、これは類似アレイが以前に達成したものの約10倍の長さです。さらに、個々のキュービットを99.98%という高精度で操作できました。

Nomuraによれば：

「大規模で原子数が増えると精度が犠牲になると考えられがちですが、我々の結果は両方を実現できることを示しています。キュービットは品質がなければ役に立ちません。今、量と質の両方を手に入れました。」

さらに、チームは数百マイクロメートル（μm）単位で原子をアレイ内で移動させてもスーパーポジションを維持できることを示しました。走りながら水の入ったコップをバランスさせるようなものです。

「走りながら原子を保持しようとするのは、水の入ったコップが傾かないようにすることに似ています。さらに原子をスーパーポジション状態に保つことは、走りすぎて水がこぼれないように注意することに似ています。」

– Manetsch

この能力は、超伝導キュービットに比べてより効率的な誤り訂正を可能にする中性原子量子コンピュータの重要な特徴です。

研究は、中性原子が数千の物理キュービット規模で量子誤り訂正を実装するための有力な候補であることを示しており、これはこの分野の次なる大きな成果です。

「量子コンピュータはエラーに耐性のある形で情報をエンコードしなければ価値ある計算はできません。古典コンピュータとは異なり、キュービットはいわゆるノークローン定理のため単純にコピーできないので、誤り訂正はより微妙な戦略に依存しなければなりません。」

– Bataille

情報処理と記憶に重要な役割を果たすスーパーポジション状態が達成されたことで、チームはエンタングルメントに取り組む予定です。これにより、アレイ内のキュービットを結びつけ、粒子が一体として振る舞えるようになります。

エンタングルメント状態を実現すれば、量子コンピュータは完全な量子計算とシミュレーションを実行でき、エンタングルメントを活用することで新たな科学的発見も可能になります。

「量子力学だけが教えてくれる方法で宇宙を学ぶ機械を作っていることはエキサイティングです。」

– Manetsch

新しいエラー抑制アーキテクチャとハイパーエンタングルメントの結果

Endresと彼のチームは長年にわたり量子コンピューティングに取り組んできました。彼は光学トゥイーザーを用いて単一原子を制御し、量子系の基本特性を研究することを専門としています。

6,000個以上の個別原子を制御する記録破りの量子システムに加えて、彼のチームの実験は量子マシンのエラー除去の新技術と、世界で最も正確な時計を提供できる新デバイスをもたらしました。

今年5月、彼らは研究を発表⁴し、原子の揺らぎ運動がシステム制御を困難にする問題に取り組みました。彼らはその問題自体を量子情報のエンコードに利用しました。

「通常は量子系における不要なノイズ源とみなされる原子運動が、強みへと転換できることを示しました。」

研究の共同筆頭著者、Adam Shaw

彼らの実験は原子の運動に量子情報をエンコードし、ハイパーエンタングルメント状態を実現しました。

これは、ハイパーエンタングルされた原子対の個々の電子状態と運動状態が相関していることを意味します。この実証は、中性原子やイオンなどの大量粒子におけるハイパーエンタングルメントの初めての例であり、さらに多くの特性を同時にエンタングルできる可能性を示唆しています。

「これにより、1原子あたりにより多くの量子情報をエンコードできます。」とEndresは述べました。「少ないリソースでより多くのエンタングルメントが得られます。」

実験では、光学トゥイーザー内に捕獲された個々のアルカリ土類中性原子のアレイを冷却し、「熱的運動励起の検出とその後の能動的補正」による新しい冷却形態を実証しました。

チームは本質的に各原子の運動を測定し、結果に応じて原子単位で操作を適用しています。

この手法により原子はほぼ完全に静止状態になりました。その後、原子は100nmの振幅で振動させられ、同時に2つの異なる振動を励起し、運動がスーパーポジション状態になりました。

個々の原子はパートナー原子とエンタングルされ、さらにハイパーエンタングルされて原子の運動と電子状態が相関しました。

「基本的に、ここでの目標はこれらの原子をどこまで制御できるかの限界を押し広げることでした。私たちは実質的にツールボックスを構築しています：原子内部の電子を制御できたのに、今度は原子全体の外部運動を制御できるようになりました。まさに完全にマスターした原子のおもちゃのようです。」

– Endres

カリフォルニア工科大学の別の研究で、同大学キャンパス内のカリフォルニア工科大学量子コンピューティングセンターに所属する科学者チームはエラー抑制を目的とした新しい量子チップアーキテクチャを実証⁵しました。

「量子コンピュータが成功するためには、現在のエラー率を約10億分の1に改善する必要があります」とAWSの量子ハードウェア責任者でカリフォルニア工科大学の物理学教授であるOskar Painterは述べました。「エラー率は低下していますが、2年ごとに約2倍の速度でしか改善していません。したがって、このプロセスを加速するために新しいチップアーキテクチャを開発していますが、これは『初期の構成要素』に過ぎません。」

研究者はビットフリップエラーが大幅に減少したキャットキュービットを使用しており、残るのは位相フリップエラーだけです。これにより、繰り返し符号を使用できます。

新しいチップ「Ocelot」では、古典的な繰り返し符号によりエラー訂正に必要なキュービット数が大幅に削減されます。

「我々は、エラー訂正に必要な追加キュービット数を最大90%削減できる、よりスケーラブルなアーキテクチャを実証しました。」

– Fernando Brandão、カリフォルニア工科大学理論物理学教授・AWS応用科学ディレクター

これを実現するために、Ocelotチップは5つのキャットキュービット、振動を安定化させる特殊バッファ回路、そして位相エラーを検出する4つの補助キュービットを組み合わせています。繰り返し符号は3から5のキャットキュービットへ増やすことで位相フリップエラー捕捉に効果的であることが確認されています。

量子技術への投資

現在、市場で最も純粋な量子コンピューティング銘柄の一つはIonQ (IONQ )で、トラップイオン方式で技術の実現を目指しています。特に高忠実度ゲート、主要クラウドプラットフォームとの統合、積極的な買収、特許の急成長が際立っていますが、スケーリングコストが大きな課題となっています。

IonQ (IONQ )

10年前にメリーランド大学とデューク大学での長年の研究に基づき設立されたIonQは、トラップイオン量子コンピュータを開発しています。会社の目的はこの技術を商業、産業、学術応用に導入することです。

そのため、同社はイオン化された原子に注力しており、これにより計算をより高度に、長時間、エラーを減らして実行できると考えています。

今月、IonQはバリウム開発プラットフォームで99.9%以上の2量子ビットゲート忠実度を達成したと主張し、商用システムIonQ Tempoに近づきました。

このマイルストーンは「エンタープライズ向けシステムの重要な閾値を示す」とIonQのエンジニアリング・テクノロジーSVP Dean Kassmannは述べ、「ネイティブゲート忠実度が高いほど、あらゆる形態の誤り訂正が必要なくなります。高忠実度は、より高速で正確な量子アプリケーションにも不可欠です。」と付け加えました。

キュービットとしてバリウムイオンを使用することは、これまで主に使用してきたイッテルビウムイオンからの転換です。バリウムイオンはゲート速度の向上、ネイティブ忠実度上限の向上、安定性の向上、状態準備/測定（SPAM）エラーの低減、全体的な性能の優位性から選ばれました。

IonQは特許ポートフォリオが1,000件を超え、スケーラブルで高性能、コスト効果の高いシステムを開発し、比類なき商業的量子優位性へのタイムラインを加速させると主張しています。

2025年9月29日現在、IONQは$64.26で取引を終え（2025年9月23日の史上最高$75.14）、2024年9月30日の$8.74に比べ約7.4倍上昇しています。年初来のパフォーマンスは情報源ウィンドウにより変動しますが概ね+50〜90%です。時価総額は約$20〜22Bです。

同社のEPS（TTM）は-2.02、P/E（TTM）は-33.35です。

財務面では、IonQは2025年6月30日終了の第2四半期に$20.7百万の収益を報告しました。純損失は$177.5百万です。期末の現金・現金同等物・投資は$656.8百万でした。

この四半期、同社は業界で単一機関からの最大規模の株式投資によりバランスシートを強化しました。IonQは量子インタコネクト企業Lightsynqと宇宙技術企業Capellaの買収を完了し、Oxford Ionicsの$10.75億での買収を提案しました。

「IonQのハードウェアとソフトウェアの専門知識、そしてOxfordのチップ上イオントラップ実装は、2027年に800論理キュービット、2030年に80,000論理キュービットを達成するためのチーム、IP、技術、勢いを提供します。」

– CEO Niccolo de Masi

第2四半期に、IonQはAstraZeneca、NVIDIA、AWSとの協業で、薬剤開発向け量子加速計算化学ワークフローで最大20倍の速度向上を達成したと報告しました。

最新のIonQ（IONQ）株式ニュースと開発

結論

量子技術は複雑な問題を解くことで産業を革命的に変えると広く期待されています。カリフォルニア工科大学の記録破りの実験は、大規模で誤り訂正された量子コンピューティングが現実に近づいていることを示しています。

このような研究に加えて新しいアーキテクチャ、材料の進歩、商業プレーヤーの開発加速により、量子技術は今後数年で普遍的に展開可能なツールとなり、科学と社会における画期的な成果をもたらすでしょう。

トップ量子コンピューティング企業のリストはこちらをご覧ください。

References

1. Grün, D. S., White, S. J. M., Ortu, A., Di Carli, A., Edri, H., Lepers, M., Mark, M. J. & Ferlaino, F. (2024). エルビウム原子の光学トゥイーザーアレイ. Physical Review Letters, 133, 223402. 2024年11月26日掲載. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.223402

2. Neven, H. (2024年12月9日). Willowをご紹介、私たちの最先端量子チップ. Google Research Blog. 取得先 https://blog.google/technology/research/google-willow-quantum-chip/

3. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., et al. (2025). 6100個の高コヒーレンス原子キュービットを持つトゥイーザーアレイ. Nature. 2025年9月24日掲載. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

4. Manetsch, H. J., Nomura, G., Bataille, E., Leung, K. H., Lv, X. & Endres, M. (2025). 6100個の高コヒーレンス原子キュービットを持つトゥイーザーアレイ. Nature. (Version of Record), 2025年9月24日掲載. https://doi.org/10.1038/s41586-025-09641-4

5. Putterman, H., Noh, K., Hann, C. T., et al. (2025). 連結ボソニックキュービットによるハードウェア効率的量子誤り訂正. Nature, 638, 927–934. (Version of Record), 2025年2月26日掲載. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08642-7