コンピューティング
調和振動子を活用して量子コンピューティングが現実に一歩近づく
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量子コンピュータ競争は数年にわたり熱を帯びており、医薬品開発、材料科学、最適化、機械学習、暗号化など、数多くの分野がその進歩によって革命的に変わるでしょう。
しかし、すべての進展にもかかわらず、実世界の問題を解く量子コンピュータの構築は、次の3つの大きな課題に阻まれています:
- 壊れやすい量子状態
- 制御を保ちつつのスケーリング
- コヒーレンスの維持
現在、スウェーデンのチョルマース工科大学のチームが、これらの課題に対処し、実用的な量子コンピュータの開発を加速させる重要な一歩を踏み出しました。彼らは 最近、Nature誌に新しい手法を発表しました。この手法は、超伝導回路における調整可能な非線形性を利用して量子情報を操作するもので、従来よりもはるかに高速かつ正確に多次元量子状態に対する複雑な操作を実行できます。
実用的な量子コンピュータの構築
量子コンピューティングの中心にあるのは量子ビット、すなわち qubit で、量子情報の基本単位です。古典的なビットが 0 または 1 のいずれかであるのに対し、qubit は 0 と 1 の重ね合わせやその間のすべての状態を取ることができます。さらに qubit 同士はエンタングル（もつれ）させることができ、これにより量子コンピュータは特定の計算を古典コンピュータよりはるかに高速に実行できます。
しかし、この能力に到達することは大きな課題です。最大の問題の一つは量子状態の壊れやすさです。qubit は環境に非常に敏感で、デコヒーレンスにより量子特性をすぐに失い、計算にエラーをもたらし、計算深さを制限します。
もう一つの大きな問題はスケーリングです。量子プロセッサに qubit を増やすほど、qubit 間の相互作用を制御し、量子ゲートを実装することが難しくなります。これは制御システムや qubit 間のクロストークが複雑になるためです。
さらに、コヒーレンスと制御性の間にはトレードオフがあります。エラー訂正コードのように qubit のコヒーレンスを高める技術は、リソースを多く必要とし、いくつかの操作を制限します。一方、イオン捕獲や超伝導回路のように個々の qubit を高い制御性で扱えるシステムは、ノイズが多くデコヒーレンスが起きやすくなります。
「qubit を青いランプに例えると、量子力学的に同時にオンとオフの両方になることができます。対照的に、連続変数量子系は無限の虹のようで、色の連続的なグラデーションを提供します。これは膨大な数の状態にアクセスでき、qubit の二状態に比べてはるかに豊かな可能性を示しています。」
– チョルマース工科大学の量子技術研究者で本研究の主任著者、アクスル・エリクソン
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超伝導回路における調整可能な非線形性
チョルマース大学のチームは、アクスル・M・エリクソン博士とシモーネ・ガスパリネッティ博士の指導のもと、超伝導回路を用いてこれらの問題を解決しました。彼らは「Superconducting Nonlinear Asymmetric Inductive eLement（SNAIL）共振器」と呼ばれる特殊な部品を開発しました。
SNAIL は強く、調整可能な非線形性を持つ超伝導回路要素です。これはジョセフソン接合を備えた超伝導ループで、薄い絶縁バリアを通してクーパー対（電子の結合対）がトンネルします。接合部を非対称に配置することで、非線形インダクタンスを持つ回路要素が実現されています。
「私たちは多状態量子系に対して、これまでにない高速で複雑な操作を行うシステムを作り上げました。」
– 202Qラボ（チョルマース大学）リーダー、シニア著者 シモーネ・ガスパリネッティ博士
チョルマースチームが行った重要なことは、SNAIL 共振器を超伝導マイクロ波キャビティ（量子情報をエンコードするボソンモード）内部に配置したことです。マイクロ波パルスをこのハイブリッドシステムに適用し、SNAIL の非線形性をオン・オフすることで、さまざまな量子操作を高速かつ正確に実行しました。
連続変数量子コンピューティング
チョルマースチームのアプローチのユニークな点は、qubit パラダイムを超えて連続変数（CV）量子状態を利用していることです。
CV 量子系では、情報は調和振動子（例えばマイクロ波キャビティ場）の振幅と位相クアドラチャにエンコードされます。これらのクアドラチャは 0 と 1 の離散的な値だけでなく、連続的な範囲の値を取ることができます。
シニア著者で202Qラボリーダーのシモーネ・ガスパリネッティ博士によれば:
「私たちは多状態量子系に対して、前例のない速度で極めて複雑な操作を可能にするシステムを構築しました。」
CV アプローチは離散変数量子コンピューティングに比べていくつかの利点があります。
(i) 単一の CV モードは複数の qubit 分に相当する情報をエンコードでき、耐障害性のある量子コンピューティングに必要なハードウェアを削減できます。
(ii) CV 状態の連続性は、ノイズやデコヒーレンスが存在する量子コンピューティングに必要な、より優れたエラー訂正コードを実現します。
しかし、CV 量子コンピューティングにおける大きな課題は、ユニバーサル量子コンピューティングに必要な非ガウス操作です。変位や圧縮といったガウス操作は線形光学素子やマイクロ波回路で実現できますが、これだけでは古典的にシミュレート可能であり、量子スピードアップには不十分です。
非ガウス操作には非線形相互作用が必要で、これらは作製・制御が非常に困難です。従来、CV モードと非線形要素を組み合わせようとした試みは、Kerr 効果に阻まれ、量子情報が乱れ、操作の忠実度が低下していました。
チョルマースチームは、SNAIL 共振器内部の非線形性を工学的に設計することでこの問題を解決しました。SNAIL を「Kerr フリー」ポイントで動作させ、不要な Kerr 非線形性を抑制しつつ、非ガウス操作に必要な三次非線形性を保持しています。
「私たちのコミュニティは、超伝導要素を量子振動子から遠ざけ、壊れやすい量子状態を乱さないようにしてきました。しかし本研究では、このパラダイムに挑戦し、制御装置を振動子の中心に埋め込むことで、多数の量子状態を乱すことなく、同時にそれらを制御・操作できるようにしました。その結果、非常に高速な新しいゲート操作のセットを実証しました。」
– シモーネ・ガスパリネッティ
ユニバーサルゲートセット
彼らが何ができるかを示すために、SNAIL 共振器プラットフォーム上でユニバーサルゲートセットを作成しました。これには変位や圧縮といったガウスゲートと、非ガウスであるキュービック位相ゲートが含まれます。
ガウスゲートは、SNAIL 回路に特定の周波数のマイクロ波パルスを適用することで実現されました。基底周波数で駆動すると変位が、基底周波数の2倍で駆動すると圧縮が得られます。これらは CV 量子情報処理のブロックとなるコヒーレント状態と圧縮状態の準備・操作に用いられます。
キュービック位相ゲートは、基底周波数の3倍で駆動する「トリスクエージング」相互作用と、低周波での駆動を組み合わせて作られました。これにより、振動子状態に対して振幅の三乗に比例した非線形位相シフトが加わり、名前の通り「キュービック位相」ゲートが実現します。
キュービック位相ゲートは、ユニバーサル CV 量子コンピューティングに不可欠で、Gottesman‑Kitaev‑Preskill（GKP）状態などの高度に非古典的な状態を生成します。ガウスゲートと組み合わせることで、決定的な非ガウス状態である「キュービック位相状態」を作り出します。
チョルマースチームが作製したゲートは、数十ナノ秒という極めて短いパルスで実行されました。これは従来の分散型 qubit‑振動子結合による実装よりも 10〜100 倍高速です。高速化は SNAIL 共振器の強い非線形性によるものです。
決定的キュービック位相状態の作製
別の例として、チョルマースチームはユニバーサルゲートセットを用いて、キュービック位相状態という高度に非古典的な量子状態を作製しました。キュービック位相状態は量子エラー訂正、量子計測、CV 測定ベース量子コンピューティングに必要です。
キュービック位相状態の作製は、SNAIL 共振器の基底状態（真空）に対してゲートを適用することで行われました。まず、20 ns の圧縮ゲートで圧縮真空状態を作り、続いて 40 ns のキュービック位相ゲートをその圧縮状態に適用しました。結果として、キュービック度 0.11 のキュービック位相状態が得られました。
この状態はウィグナー・トモグラフィーで特徴付けられ、位相空間分布が得られました。ウィグナー関数は強く負の領域を示し、これは非古典的であり、古典的な振動子状態では観測できません。
キュービック位相状態の目標状態に対する忠実度は 92% でした。また、キュービック位相ゲートの持続時間を延長するだけでキュービック度を高められることを示しました。これは、従来の作製手法がキュービック度ごとに制御シーケンスの完全な再最適化を必要としていたのに比べてはるかに優れています。
改善の余地と今後の課題
チョルマースチームの成果はすでに称賛に値しますが、まだやるべきことは残っています:
SNAIL 共振器
量子操作の制限の一つは SNAIL 共振器のコヒーレンス時間です。現在は数マイクロ秒のコヒーレンス時間がありますが、これは当面は十分でも、より長いコヒーレンス時間があれば、より複雑で深い量子回路が実装可能になります。SNAIL 回路パラメータの最適化によるフラックスノイズの低減や、マイクロ波環境のシールド・フィルタリングがコヒーレンス改善の手段です。
これには:
- SNAIL 共振器のコヒーレンス時間（現在は数マイクロ秒で十分だが、長くすればより複雑な回路が可能）
- フラックスノイズ低減のための SNAIL 回路パラメータ最適化
- マイクロ波環境のシールドとフィルタリング
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スケーラビリティ
もう一つの改善領域はスケーラビリティです。実験は単一の SNAIL で行われましたが、大規模な量子コンピュータには多数の SNAIL が必要です。スケールアップするには、各 SNAIL をそれぞれのマイクロ波キャビティに接続する形で複数配置する方法が考えられます。この構成により、キャビティ間の結合を設計することで多量子ビットゲートやエンタングル状態を生成できます。ただし、SNAIL の製造とチューニングを均一かつ再現性のあるものにする制御が必要です。
- スケーラビリティ（現在は 1 つの SNAIL だが、大規模量子コンピュータには多数必要）
- 各 SNAIL が独自のマイクロ波キャビティを持つアレイ
- キャビティ間の結合による多量子ビットゲートとエンタングル状態の生成
- SNAIL の製造とチューニングを均一・再現可能に保つ制御
CV モードの数を増やすだけでなく、各モード内の光子数も増やす必要があります。SNAIL 共振器の非線形性は光子数が増えると理想的な振る舞いから逸脱し、計算用ヒルベルト空間のサイズが制限されます。
この課題への一つの解決策は、複数の SNAIL を組み合わせた設計で、各 SNAIL の非線形性を高次で相殺させ、低次の相互作用は保持する方法です。
他に考えられる進展は:
- より多くの CV モード
- 各モード内の光子数増加
- 光子数が増えると SNAIL 共振器の非線形性が理想から逸脱
- 計算用ヒルベルト空間のサイズが制限される
- マルチ SNAIL 設計: 各 SNAIL の非線形性が高次で相殺し、低次相互作用は保持
今後、チョルマースチームは SNAIL 共振器プラットフォームを他の量子コンピューティングアーキテクチャと統合し、ハイブリッドシステムを構築したいと考えています。例えば、SNAIL を介した相互作用を利用して超伝導 qubit と CV モードをエンタングルさせ、複雑な多量子ビット状態を作り出すことが可能です。本研究で実証された高速かつ効率的な CV ゲートは、エンコードされた qubit 上での量子エラー訂正に利用でき、より頑健でスケーラブルな量子プロセッサの実現につながります。
さらに期待される展望として、SNAIL 共振器プラットフォームを光学量子システムと統合することがあります。超伝導回路はマイクロ波周波数・低温環境での量子コンピューティングに適していますが、光学量子システムは常温で動作し、長距離量子通信に最適です。量子周波数変換器を開発すれば、両者の長所を組み合わせ、スケーラブルでネットワーク化された量子コンピュータを実現できます。
まとめ
チョルマースチームが成し遂げたことは、実用的な量子コンピュータに向けた大きな前進です。彼らは超伝導回路における調整可能な非線形性を利用し、ハードウェア効率が高く制御しやすい量子コンピュータを開発し、多次元量子状態に対する複雑な操作を高速かつ正確に実行できるようにしました。
これは CV‑NISQ コンピューティングにおける新たなパラダイムを示しています。SNAIL 共振器は量子化学、最適化、機械学習といった困難な問題の解決に貢献できるでしょう。この技術が成熟しスケールアップすれば、古典コンピュータでは不可能な応用が開かれます。
しかし、大規模で耐障害性のある量子コンピュータを構築するには、超伝導回路のコヒーレンス時間、qubit と CV モードの数、そして異なる量子コンピューティングプラットフォーム間のインターフェースといった課題が依然として残ります。
これらの課題にもかかわらず、量子コンピューティングは応用科学として大きく前進しており、チョルマースチームはその壁を押し上げる重要な役割を果たしました。彼らは量子コンピューティングのツールボックスに新たな手段を加え、量子力学の新しい活用法を示してくれました。これにより、私たちは実用的な量子コンピューティングに一歩近づいたと言えるでしょう。
理論と実験が加速する中、量子コンピューティングの未来はかつてないほど明るいです。量子コンピュータは医薬品探索、材料設計、暗号化、人工知能など幅広い計算タスクで指数関数的な速度向上をもたらすでしょう。AI などの技術と組み合わせることで、世界は変革の瀬戸際に立っていることを確信させてくれます。
