音波が量子情報の保存に革命的突破口を提供

量子コンピューティングは、AI、金融、物流、材料科学、薬剤探索、暗号学の分野で画期的な突破口をもたらすために、複雑な問題を前例のない速度で解決することを約束します。

しかし、技術の可能性は広大であるものの、実際に量子コンピュータを稼働させ、実世界の問題を解決に活用することは非常に困難であることが判明しています。

量子コンピューティングは依然として実験的な技術であり、研究者は量子レベルの現象の正確なシミュレーションを実行するための障壁を克服しようと作業中です。ここでの主要な課題の一つは、情報を長時間保存することです。

これは、超伝導キュービットは量子情報を処理する優れた能力を持つ一方で、コヒーレンス時間がかなり限られているためです。

コヒーレンスとは、量子系が重ね合わせ状態にある異なる状態間の関係を維持する能力です。この基本的な特性により、キュービットは基底状態の線形結合として存在でき、量子コンピューティングの核心である並列性と干渉を可能にします。

量子操作を実行するために不可欠なコヒーレンスは非常に脆弱で、環境とのわずかな相互作用でも簡単に失われてしまいます。

コヒーレンスが失われると、キュービットの量子挙動は失われ、量子計算は意味を持たなくなります。一方、デコヒーレンスはコヒーレンスが失われるプロセスであり、量子コンピュータの構築と運用における大きな課題であり続けています。

現在、超伝導キュービットはキュービットを実現する物理的手段であり、機能するために量子コヒーレンスの維持に依存しています。しかし、もちろんデコヒーレンスが最大の課題です。

超伝導キュービットは特定の材料で作られた小さな回路で、重ね合わせやエンタングルメントといった量子現象を利用して計算を行います。回路を構成する材料はほぼ絶対零度に近い温度まで冷却され、抵抗なく電流を流す超伝導状態になります。

これらの超伝導キュービットは高速計算に優れていますが、情報を長期間保存することには苦労します。

しかし、光子とフォノンのインターフェースを用いれば、量子情報を長寿命の機械振動子に保存できる可能性があります。カリフォルニア工科大学（Caltech）のチームはまさにそれを実現し、ナノスケール構造における静電力を利用してキュービットとナノ機械振動子間の強い結合を得るプラットフォームを導入しました。

エネルギー減衰時間（T1）は約25ミリ秒で、統合された超伝導回路で実現されたものを上回ります。

デコヒーレンスの根源を探り、その影響を低減するために、チームは量子操作を使用しました。2パルスの動的デカップリングシーケンスを用いることで、コヒーレンス時間（T2）を64マイクロ秒から1ミリ秒へと延長することに成功しました。

研究結果は、超伝導デバイスにおいて機械振動子が量子メモリとして機能し、量子コンピューティング、センシング、トランスダクションに利用できる可能性があることを示しています。

音波が量子状態を長時間保存する方法

従来のコンピュータ（ラップトップやスマートフォンなど）は、情報をビットの形で保存します。

ビットはデジタル情報の最小単位で、0または1という単一の二進値を取る基本的な論理要素です。

一方、量子コンピュータは、0と1の両方の状態を同時に持つことができ、これを重ね合わせと呼びます。この特性が、古典コンピュータでは扱えない問題を解くという量子コンピューティングの約束の根拠です。

多くの既存の量子コンピュータは、極低温で抵抗なく電子が流れる超伝導電子システムに基づいています。これらのシステムでは、電子の量子力学的性質が共鳴器を通過することで、超伝導キュービットが生成されます。

これらのキュービットは計算に必要な論理操作を実行するのに優れていますが、特定の量子系の数学的記述子で表される情報の保存にはあまり適していません。

量子状態の保存時間を伸ばすために、エンジニアは超伝導キュービット用の「量子メモリ」構築に取り組んできました。

Caltech の科学者チームは、これらの量子メモリにハイブリッドなアプローチを採用しました。

この手法では、電気情報を効果的に音に変換しました。量子情報を音波に変換するために、ミニチュアの音叉のように機能する小型デバイスを使用しました。

これにより、量子状態の寿命が他の手法に比べて最大30倍延長され、計算だけでなく記憶も可能なスケーラブルで実用的な量子コンピュータの基盤が築かれました。

「量子状態を得たら、すぐに何かをする必要はないかもしれません。論理操作を行いたいときに再びその状態に戻る方法が必要です。そのために量子メモリが必要です。」

– カリフォルニア工科大学（Caltech）の電気工学・応用物理学助教授、モハメド・ミルホセイニ

米国国立科学財団（NSF）と空軍科学研究局（AFOSR）の資金提供を受け、Caltech の大学院生アルキム・ボズクルトとオミド・ゴラミが主導した本研究は、掲載¹され、Nature Physics誌に掲載されました。

この研究では、チップ上に超伝導キュービットを製造し、それを「機械振動子」と呼ばれる小型デバイスに接続した工程が詳細に示されています。

機械振動子は振動運動を示すシステムです。本質的にはミニチュアの音叉であり、本研究では柔軟なプレートで構成されています。これらのプレートはギガヘルツ（GHz）周波数の音波で振動させます。

チームがこれらの柔軟なプレートに電荷を付与すると、量子情報を運ぶ電気信号と相互作用でき、情報を「メモリ」としてデバイスに格納し、後で取り出す（「記憶」）ことが可能になります。

研究者は、情報がデバイスに入った後、振動子が量子情報を失うまでの時間を測定しました。

「これらの振動子は、現在最高の超伝導キュービットに比べて約30倍長い寿命を持つことが判明しました。」

– ミルホセイニ

この量子メモリ構築法は、他の手法に比べてさまざまな利点があります。例えば、音波は電磁波に比べてはるかに遅く伝搬するため、よりコンパクトなデバイスが実現できます。

電磁波（EM波）は、振動する電場と磁場の横波で、空間を通じてエネルギーを運びます。荷電粒子の加速により生成され、電波、マイクロ波、赤外線、可視光、紫外線、X線、ガンマ線を含むスペクトルを網羅します。

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すべての電磁波は真空中で光速で伝搬し、伝搬に媒体を必要としません。

一方、音波は固体、液体、気体といった媒体の粒子を振動・圧縮・膨張させてエネルギーを伝達する機械波です。これらの波は周波数、振幅、波長といった特性で特徴付けられ、超低周波（インフラサウンド）から超音波までの範囲を含みます。

機械的振動は電磁波とは異なり自由空間で伝搬しないため、エネルギーがシステムから漏れ出さず、媒体内に強く閉じ込められます。これにより、保存時間が延長され、近接デバイス間の不要なエネルギー交換が抑制されます。

これらの利点により、単一チップに多数の音叉を組み込むことが可能となり、スケーラブルな量子メモリの実現が期待できます。

ミルホセイニによれば、本研究はハイブリッドシステムをメモリ要素として利用するために必要な、音波と電磁波間の相互作用が最小限であることを示しています。

「このプラットフォームが量子コンピューティングに真に有用になるためには、量子データをシステムに投入し、はるかに速く取り出す必要があります。つまり、現在のシステムが可能とする以上に、相互作用率を3倍から10倍に向上させる方法を見つけなければなりません」とミルホセイニは述べました。「チームはそれを実現するためのアイデアを持っています」

量子ハードウェアとソフトウェア：商業利用への道

Caltech の科学者が開発した新しいデバイスは、かなり前から研究が進められてきました。

数年前の前回の研究で、チームは音、特にフォノン（光子と同様に振動の個々の粒子）が量子情報を簡単に保存できる方法を示した。

チームは、超伝導キュービットと組み合わせるのに適したデバイスであることが示された実験で、同じ極めて高い GHz 周波数で動作することを確認しました。

人間はヘルツからキロヘルツ（約20 kHzまで）の範囲で音を聞きますが、これらのデバイスはギガヘルツ（1秒あたり数十億サイクル）で動作し、周波数は約5万倍高くなります。

テストされたデバイスは長寿命で、超伝導キュービットで量子状態を保持するために必要な低温でも優れた性能を示しました。

ミルホセイニが当時指摘したように、他の研究では特殊な材料である圧電体を機械エネルギーを電気エネルギーに変換する手段として検討しています。彼は次のように付け加えました：

「しかし、これらの材料は電気波や音波に対してエネルギー損失を引き起こす傾向があり、損失は量子領域における大きな致命要因です」

対照的に、Caltech チームが開発した新手法は特定の材料特性に依存せず、既存のマイクロ波ベースの量子デバイスと適合します。

コンパクトなサイズで効果的な保存デバイスを構築することも、量子応用を探求する上での別の課題です。

この課題は新手法でも対処されており、ミルホセイニ・グループの大学院生であるボズクルトは「電気回路からの量子情報を、他のコンパクトな機械デバイスに比べて2桁長い期間保存できるようにする」と述べました。

Caltech の音波プラットフォームは有望ですが、世界中の多くの機関で進められているはるかに大規模な研究の一部に過ぎません。科学者たちは量子コンピュータの課題を克服するために多様な手法を試しています。

例えば、南カリフォルニア大学（USC）の研究者は数学に転向した²。

彼らはネグレクトンを用いてトポロジカルキュービットに関するいくつかの問題を解決しようとしています。この理論上の粒子群は、見落とされた理論数学から導出されたことに由来する名前で、普遍的なトポロジカル量子コンピュータを実験的に実現する新たな道を開く可能性があります。

「私の目標は、非半単純フレームワークが単に有効であるだけでなく、量子理論をより深く理解するためのエキサイティングなアプローチであることを、他の研究者にできるだけ説得力のある形で示すことです」

– 共著者 アーロン・ラウダ

一方、別のアプローチでは、科学者たちは量子ドットが放出する光を制御しており、これによりより安価で高速、そして実用的な量子技術が実現できる可能性があります。

このため、研究協力が新しい手法を発見した³ことは、刺激された二光子励起に依存し、電子スイッチングハードウェアを必要とせずに量子ドットが異なる偏光状態の光子ストリームを放出できるようにします。テスト時、研究者は優れた二光子状態を生成しつつ、顕著な単光子特性を保持することに成功しました。

「このアプローチが特にエレガントである理由は、単光子放出後の高価で損失を伴う電子部品から複雑さを光学励起段階へ移したことであり、量子ドット光源を実世界の応用に向けてより実用的にする重要な一歩です」

– 主任研究者 ヴィカス・レメシュ

次に、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 Grainger 工学部のチームが、約99％の忠実度を持つ超伝導量子プロセッサ向けの高性能モジュラー設計を提示した⁴。

モジュラーアーキテクチャは、制限的なモノリシック設計とは異なり、より高いスケーラビリティ、容易な改良、そして不整合に対する耐性を提供します。

ほとんどの取り組みは依然として量子コンピュータのハードウェアに焦点を当てていますが、技術が「商業的に実用化が間近に迫っている」と考えられるようになり、ソフトウェアへのシフトが見られます。そのため、実用的な活用が求められています。

この点に関して、量子アルゴリズム企業 Phasecraft は、デンマークの製薬大手 Novo Nordisk に関連する投資会社を含む複数の投資家から 3400 万ドルを調達しました。(NVO )

Phasecraft のアルゴリズムは、CEO の Ashley Montanaro が「来春までに『科学的に重要』な計算を実行でき、数年以内に商業的に有用なアプリケーションが利用可能になる」と考えています。

現在、アルゴリズムへの関心が高まっています。最近、Google の研究者は、現在最も広く使用されている暗号を破ることができる Shor のアルゴリズムを実行するために必要な量子コンピュータの規模を 20 倍削減する手法を考案したと主張しました。

これに対して、開発者の Hunter Beast は、ビットコイン（BTC）を量子コンピューティングに耐性させる試みとして BIP 360 を導入しました。

一方、量子コンピューティング企業 Norma は、NVIDIA (NVDA ) CUDA-Q を使用して薬剤開発向けの量子 AI アルゴリズムの性能を検証し、計算速度が約73倍高速であることを確認しました。

量子コンピューティングへの投資

多くの大手企業が超伝導量子コンピューティングの研究を行っており、IBM (IBM )、Intel (INTC ) などが含まれます。しかし、本稿では、Quantinuum の過半数株式を保有し量子コンピューティングに深く関与している Honeywell International (HON ) に焦点を当てます。

Quantinuum、Honeywell International (HON ) 会社

Quantinuum は、Cambridge Quantum と Honeywell Quantum Solutions の合併により 2021 年に設立された量子コンピューティング企業です。フォールトトレラント量子コンピュータの開発を加速するため、JPMorgan Chase などの投資家から資金を確保しています。

昨年、同社は記録上最も信頼性の高い論理キュービットを実証した。Quantinuum は、Microsoft の画期的なキュービット仮想化システムとエラー診断・修正機能をイオントラップハードウェアに適用し、14,000 以上の個別実験をエラーなしで実行しました。

先月、Quantinuum は、Python 内でホストされる言語 Guppy（CEO の Rajeeb Hazra が「開発者にとってパラダイムシフト」と表現）や、プログラマーがコードをテスト・デバッグできるよう量子挙動を模倣する「デジタルツイン」エミュレータ Selene など、2 つの新しいオープンソースソフトウェアコンポーネントを発表した。

この新しいフルスタックプラットフォームは、Quantinuum の次世代量子コンピュータ Helios の発売に向けた準備として提供されます。

したがって、同社は AI、サイバーセキュリティ、化学シミュレーションなどの応用を対象に、研究と商業活動の両面で量子ハードウェアとソフトウェアの両方の進歩を追求しています。

Quantinuum を通じて、Honeywell は電磁的に捕獲されたイオンをキュービットとして高忠実度計算に用いるトラップイオン量子コンピュータを、医療、金融、公益事業など多様なセクターの顧客に提供しています。

統合された事業会社は主に自動化、航空、エネルギー転換という 3 つのメガトレンドに関与しています。また、以下の主要セグメントを通じてサービスを提供しています：

• 航空宇宙技術
• 産業オートメーション
• ビルオートメーションとエネルギー
• 持続可能性ソリューション

時価総額は 1,393.6 億ドルで、執筆時点の HON 株は 218.40 ドルで取引され、年初来で 2.83% 下落しています。EPS（TTM）は 8.79、P/E（TTM）は 24.96 です。一方、配当利回りは 2.06% です。

財務面では、Honeywell は 2025 年第2四半期の売上高が 104 億ドル、1株当たり利益が 2.45 ドル、調整後 EPS が 2.75 ドルであると報告しました。

この期間中、同社は 13 億ドル規模の PPE 事業の売却、22 億ドル規模の Sundyne の買収完了、そして Johnson Matthey の触媒技術事業を 18 億ポンドで取得することを発表しました。また、17 億ドル相当の自社株式を買い戻しました。

CEO の Vimal Kapur は、予測不可能なマクロ経済環境にもかかわらず、オーガニック成長と調整後 EPS がガイダンスを上回る「卓越した成果」を達成した重要性を指摘しました。

「ビルオートメーションが牽引し、4 セグメント中 3 セグメントが四半期で 5% 超の売上成長を達成しました。これは、Accelerator オペレーティングシステムが迅速に適応し、事業環境の変化にもかかわらず成長を促進できる力を示しています」と Kapur は述べ、さらに「新製品イノベーションへの注力が記録的な受注残の成長をさらに支援する有望な結果をもたらしています」と付け加えました。

結論

量子コンピューティングは、AI、ヘルスケア、材料科学、サイバーセキュリティ、その他の産業において重要な進歩をもたらす可能性があります。しかし、この技術の進展はキュービットの性能だけでなく、量子情報を確実に保存できる能力にも依存しています。

Caltech のプラットフォームはそれを実現する計画を提供しています。計算とメモリを単一チップに統合することで、この新しい開発は実世界への応用に近づいています。

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参考文献：

1. Bozkurt, A. B., Golami, O., Yu, Y., Tian, H., & Mirhosseini, M. (2025). A mechanical quantum memory for microwave photons. Nature Physics, (advance online publication), 2025年8月13日掲載。2025年1月10日受領；2025年6月17日受理。 https://doi.org/10.1038/s41567-025-02975-w
2. Iulianelli, F., Kim, S., Sussan, J., et al. Universal quantum computation using Ising anyons from a non-semisimple topological quantum field theory. Nature Communications, 16, 6408, 2025年8月5日掲載。2024年10月13日受領；2025年6月18日受理。 https://doi.org/10.1038/s41467-025-61342-8
3. Karli, Y., Avila Arenas, I., Schimpf, C., et al. Passive demultiplexed two-photon state generation from a quantum dot. npj Quantum Information, 11, 139, 2025年8月11日掲載。2025年4月10日受領；2025年7月25日受理。 https://doi.org/10.1038/s41534-025-01083-0
4. Mollenhauer, M., Irfan, A., Cao, X., et al. A high-efficiency elementary network of interchangeable superconducting qubit devices. Nature Electronics, 8, 610–619, 2025年6月27日掲載（2025年7月号）。2024年9月8日受領；2025年5月23日受理。 https://doi.org/10.1038/s41928-025-01404-3