コンピューティング
ミリ秒キュービットが量子技術のブレークスルーを示す
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ミリ秒スケール超伝導キュービットのブレークスルー
Quantum computers could revolutionize how we perform cryptography, calculate complex simulations like proteins’ 3D configuration, and probably have many more applications we are barely guessing today.
機能するためには、できるだけ安定した「キュービット」が必要です。キュービットは量子計算の基本要素です。これまで、非常に安定したキュービットを生成できたのは「トラップドイオン」量子コンピュータだけでした。しかし、この技術は超伝導キュービットに比べてスケールアップが本質的に難しいです。
したがって、超伝導キュービットがこの技術の将来である可能性がある一方で、キュービットのコヒーレンス時間の安定性向上が必要です。
プリンストン大学の大規模な研究チームがまさにこれを達成しました。彼らは、ミリ秒以上のコヒーレンスを保つことができる超伝導キュービットを作り出し、これまでの最高記録の3倍の持続時間を実現しました。
彼らはその成果をNature1に掲載し、タイトルは「Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits」です。
キュービットコヒーレンスの限界
量子計算を実行するには、量子コンピュータは「コヒーレンス」—環境からの干渉に極めて脆弱な特殊な量子状態—を維持する必要があります。一般に、熱雑音や粒子の動きはナノ秒単位でコヒーレンスを破壊します。
超低温などの特殊な条件下では、キュービットの寿命は長くなります。しかし、現在のほとんどの量子コンピュータにとって十分なコヒーレンス時間は依然として大きな制約であり、計算エラーが総計算能力を低下させ、ソフトウェアのアップグレードだけでは容易に補償できません。
したがって、より長くコヒーレンスを維持できる材料を特定することは、量子コンピューティング産業が商業段階に到達する前に必要な重要な一歩です。
「本当の課題、つまり今日実用的な量子コンピュータが持てない理由は、キュービットを作っても情報が長く持続しないことです。
これは次の大きな飛躍です。」Andrew Houck、プリンストン工学部長
研究者がトランスモンキュービットのコヒーレンスを伸長させた方法
研究者は、GoogleやIBMなどが自社の量子コンピュータで使用しているのと同じタイプの超伝導キュービット、transmon qubitsを使用しました。
トランスモンキュービットは、単一キュービットゲートの忠実度が99.9％を超える高忠実度であり、スケール生産が可能で、0.1ミリ秒という高いコヒーレンス時間を持つという利点があります。
これは有望ですが、コヒーレンス時間は依然として低すぎます。
したがって、プリンストンの研究者が平均1.68ミリ秒持続するキュービットを作成したと発表したとき、これは大幅な改善です。
出典: Nature
これは、実験室で作られた最高記録の3倍のキュービット持続時間であり、量子コンピュータを開発する民間企業が使用しているものの15倍の強さです。
タンタルムとシリコンが量子コヒーレンスを向上させる理由
タンタルムによるコヒーレンス向上
この結果を達成するために、研究者は使用する材料に二つの異なる改良を加えました。
まず、タントラムという金属を基板層として使用し、脆弱な回路がエネルギーを保持できるようにしました。金属内部の微小で見えない表面欠陥がエネルギーを捕捉・吸収してしまうためです。
チップにキュービットが増えるほど、この種のエラーは増幅し、ある数を超えると実用性が失われます。
走査透過電子顕微鏡（STEM）を用いて、タントラムの立方晶構造が高度に規則的であることを確認しました。
出典: Nature
アルミニウムなどの金属と比較して、タントラムは欠陥がはるかに少なく、不純物除去のための厳しい洗浄プロセスにも高い耐性があります。
「タントラムを酸に入れても、特性は変わりません。」Faranak Bahrami、プリンストン大学の研究
シリコン上にタントラムを直接成長させることは、克服に多大な努力を要する課題でした。
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| キュービット材料 | 基板 | 平均コヒーレンス時間 | 欠陥密度 | 製造の容易さ |
|---|---|---|---|---|
| Aluminum | Sapphire | 0.1 ms | High | Medium |
| Tantalum | High-resistivity Silicon | 1.68 ms | Low | High (semiconductor-compatible) |
シリコンがサファイアに代わる理由
コヒーレンス喪失につながるエネルギー損失の別の原因は、量子チップで使用されるサファイア基板です。
代わりに、研究者は高品質（高抵抗性）シリコンを使用しました。これは従来のコンピューティング業界で一般的に使用される標準材料です。
これらのタントラム・オン・シリコンプラットフォームでの材料改良により、結果として得られた単一キュービットゲートは99.994％の忠実度を達成しました。
実験室のブレークスルーからスケーラブルな量子チップへ
研究者はこの手法を用いて、従来のすべての設計を上回る完全に機能する量子チップを構築しました。
エラー率は乗算的であるため、この種の改善はシステム規模とともに指数的に拡大します。その結果、個々のキュービットのエラー率が10〜15倍改善されると、マルチキュービットコンピュータに対してははるかに大きな効果をもたらします。
重要なのは、このキュービットは新奇な概念ではなく、異なる材料を使用した「従来型」の超伝導キュービットであるため、既存の量子コンピュータに容易に統合でき、既存の量子コンピューティングソフトウェアでも使用可能です。
「プリンストンのコンポーネントをGoogleの最高の量子プロセッサ「Willow」に交換すれば、性能が1,000倍向上します。
プリンストンキュービットの利点はシステム規模が大きくなるほど指数的に増大するため、キュービットを追加すればするほどさらに大きな利益が得られます。
これは、プリンストンの設計により、仮想的な1,000キュービットコンピュータが約10億倍の性能向上を実現できることを意味します。
さらに、タントラムとシリコンの使用により、製造方法が半導体産業で既に使用されているものと適合し、全く新しい技術よりも大量生産のハードルがはるかに低くなります。
この研究は、以前に議論したシリコン量子チップが量子コンピューティング産業にとって正しい方向であることを示唆しています。
より優れた量子光源、 ハイブリッド量子フォトニックチップ、 および 通常の通信データフローと共に量子情報を伝送できる可能性 と合わせて、はるかに大規模な量子コンピュータへのこれらのステップは、技術が商業的成熟に急速に近づいていることを示しています。
量子コンピューティングイノベーションへの投資
1. Alphabet Inc.
GOOGL 価格チャート
Googleは量子コンピューティングに非常に積極的で、主にGoogle Quantum AI ラボとサンタバーバラの Quantum AI キャンパスを通じて活動しています。
Googleの量子コンピュータは2019年にSycamoreマシンで「量子優位性」を達成したと主張し、歴史を刻みました。このマシンは200秒で計算を完了し、従来のスーパーコンピュータであれば1万年かかる計算でした。
しかし、これは現在最新チップ「Willow」の性能に比べれば取るに足らないものです。このチップはエラー率が極めて低く、キュービットを増やすほどエラーが減少する、初のスケーラブルな量子チップ設計です。
しかし、Googleの最大の貢献はソフトウェア分野にあるかもしれません。同社はハードウェア以上に印象的な実績を持ち（検索、G Suite、Android など）、ソフトウェアでの実績が際立っています。
すでに、GoogleのQuantum AIは科学者が量子アルゴリズムを開発するのを支援するソフトウェアスイートを提供しています。
また、Googleは「研究者、エンジニア、開発者の皆さんがこの旅に参加し、私たちのオープンソースソフトウェアや教育リソース、特にCoursera の新コースを確認してください。開発者は量子誤り訂正の基礎を学び、将来の課題を解決できるアルゴリズムの作成に貢献できます。」と公に呼びかけています。
このオープンなアプローチのおかげで、Googleはハードウェアだけでなくクラウドソリューションでもリーダーとなっています。Googleは量子コンピューティングソフトウェアと量子プログラミングの標準を設定する企業の一つとなり、分野の将来の進化を導く特権的な立場を得ています。
一方、Waymo の自動運転車を含む AI ソリューションは、検索と広告業界で圧倒的な支配力を持つ Alphabet (GOOG ) にとって新たな収益源になる可能性があります。
Googleの量子以外の活動、特に広告と AI については、2024年12月の特別レポートで詳しくご覧いただけます。
最新Alphabet（GOOGL）株式ニュースと開発情報
参照された研究：
1. Bland, M.P., Bahrami, F., Martinez, J.G.C. et al. Millisecond lifetimes and coherence times in 2D transmon qubits. Nature 647, 343–348 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09687-4
