トリプレット超伝導と量子ビット

現在の量子コンピュータのほとんどのプロトタイプは、量子計算を実行するために超伝導材料を使用しています。これらの材料は量子特性をより安定させることができ、主要な代替手段はいわゆる「トラップイオン量子コンピュータ」です。

これまでのところ、信頼性が十分であることが証明されたのはトラップイオンモデルだけですが、実用的な量子ビット（従来のコンピュータのビットに相当）数が非常に制限されています。

もちろん、理想的な選択肢は超伝導材料を改良し、量子計算に適したものにすることです。その方向でいくつかの取り組みが行われており、特にラティスサージェリーや長寿命量子ビットが挙げられます。しかし、これだけでは商業的でスケーラブルな超伝導量子コンピュータを実現するには不十分です。

別の先進的な計算科学分野としてスピントロニクスがあります。これは、古典的な電子計算で使用される電荷の代わりに、粒子のスピンという量子特性を利用します。これまで、量子コンピューティングとスピントロニクスはある程度関連していましたが、超伝導材料はスピンを持たないため、直接結びついてはいませんでした。少なくとも現在までは。

(スピントロニクスについて詳しくはこの技術に特化した当社の記事で)

ノルウェー科学技術大学とイタリアのサレーノ大学（Università degli Studi di Salerno）の研究チームが、独自のスピン特性を持つトリプレット超伝導体という新しいタイプの超伝導体を発見した可能性があります。

この新しいタイプの超伝導材料は、超伝導量子コンピュータの構築において画期的な変化をもたらす可能性があります。彼らはその発見をPhysical Review Lettersに掲載し、タイトルは「非中心対称NbReにおける逆スピンバルブ効果を通じた固有トリプレット超伝導性の解明」です。

「トリプレット超伝導体は、固体物理学の分野で働く多くの物理学者の願望リストの上位にあります。トリプレット超伝導体は量子技術、特に量子コンピューティングにおける『聖杯』のようなものです。」Professor Jacob Linder – Norwegian University of Science and Technology

一方、コペンハーゲン大学ニールス・ボーア研究所、ノルウェー科学技術大学、オランダのライデン先端計算科学研究所、スウェーデンのチャルマース工科大学、ドイツのレゲンスブルク大学、そして企業Quantum Machinesの研究チームは、超伝導材料を悩ませる主要な問題である欠陥を効率的に検出する新しい手法を発見しました。

彼らはその成果をPhysical Review X2に掲載し、タイトルは「超伝導量子ビットにおける変動緩和率のリアルタイム適応追跡」です。

トリプレット超伝導体

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なぜ重要か？

理論的には、スピンは量子ビット間や異なる量子コンピュータ間で量子情報を転送する理想的な媒体となり得ます。

問題は、現状の形では技術があまりにも不安定で、情報の転送が実用的に利用できるほど単純でないことです。

しかし、トリプレット超伝導体にアクセスできれば状況は変わるかもしれません。これらはエネルギー損失なくスピンを転送できるため、超伝導粒子がスピンも運ぶことができます。

「トリプレット超伝導体は、数多くの異常な物理現象を可能にします。これらの現象は量子技術やスピントロニクスに重要な応用があります。」Professor Jacob Linder – Norwegian University of Science and Technology

通常のシングレット超伝導体が抵抗なしで電力を運ぶのに対し、トリプレット超伝導体はスピン電流も全く抵抗なく運ぶことができます。その結果、量子コンピュータやスピントロニックコンピュータは超高速で、ほぼ電力を消費せずに動作できるようになります！

ニオブ–レニウム合金

研究では、ニオブ–レニウム合金であるNbReがトリプレット超伝導体の特徴的な挙動を示すことが発見されました。

より正確には、彼らは「逆スピンバルブ効果」を見つけました。これは多層材料の磁気特性である巨視的磁気抵抗（GMR）の特殊なケースで、2007年のノーベル賞を受賞した発見です。

これはNbReがトリプレット超伝導体であることの証明ではありませんが、従来のシングレット超伝導体が示すべき挙動とは異なることは確かです。

長期的な可能性

この発見は、NbReが薄膜形態で容易に入手でき、ヘテロ構造がシンプルであるため、超伝導スピントロニクスのスケーラブルなプラットフォームとして特に有望です。

さらに、この材料は比較的高温（超伝導材料の基準から見ても）で超伝導を示し、絶対零度-273.15°C（-459.67°F）からわずか7℃上の温度で動作しますが、他の候補材料は絶対零度から1℃上でしか動作しません。

しかし、ニオブとレニウムはどちらも高価で希少な金属であるため、量子コンピュータを直接的に安価にすることはできません。

次のステップは、他の研究者がこの発見を確認し、トリプレット超伝導性を示すさらなるテストを実施することです。

トリプレット超伝導体は「マヨラナ粒子」と呼ばれる非常にエキゾチックな粒子を作り出すことにも利用できます。この粒子は自身が反粒子であるため、量子コンピュータで安定した計算を行うことが可能です。

他の研究者もマヨラナ粒子の活用に近づいており、マイクロソフトはすでにマヨラナゼロモード（MZM）を搭載したチップを持っていることから、これは量子コンピューティングの将来の発展に向けてますます有望な方向性と言えます。

量子材料欠陥の検出

変化が速すぎる

量子ビットが埋め込まれる材料はしばしば欠陥を示し、これが量子ビットの信頼性低下の原因となります。これらの欠陥は空間的に非常に高速で変動し、時には秒間数百回も変化します。

したがって、最大で1分かかる現在の欠陥検出方法では、これらを捕捉するには全く不十分です。実際、これがどれほど速く起こるかはこれまで正確には分かっていませんでした。

代わりに、研究者は平均エネルギー損失率を測定せざるを得ず、これでは量子ビットの実際の性能を不完全にしか把握できません。

その結果、超伝導に依存する量子コンピュータは、多くの場合、量子ビットがデコヒーレンスを起こしていてもユーザーが検出できないまま計算を実行するために、多くの「トリック」に頼らざるを得ません。

古典コンピュータを活用する

欠陥検出を高速化するため、研究者はフィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）という特殊なコントローラを使用しました。これらの特殊チップはCPUやGPUほど柔軟ではありませんが、特定のタスクに極めて特化しており、はるかに高速でエネルギー消費も少ないです。

実験を直接FPGA上で実行することで、わずかな測定だけで量子ビットがエネルギーを失う速度を「最良の推測」できました。

これは明らかな解決策のように思えますが、FPGAを正しくプログラミングすることは非常に困難で、特に多少の柔軟性が必要な場合はなおさらです。

彼らが使用した手法は、チップが各量子ビット測定後に内部の「知識」（ベイズモデルと呼ばれる）を更新するというものです。

出典: Physical Review X

これにより、システムは量子ビットの状態に関する学習を可能な限り効率的に継続的に適応させることができました。

「コントローラはロジック、測定、フィードフォワード間の非常に緊密な統合を可能にし、これらの要素が実験を実現しました。」Associate Professor Morten Kjaergaard – Niels Bohr Institute

リアルタイム校正へ向けて

これまで、量子コンピューティング業界は量子ビットがまだ機能していることを「期待」し、デコヒーレンスの確率と速度を減らすために懸命に取り組んできました。

しかし、この新しいアプローチは、完璧でない材料でも信頼できる量子ビットを能動的に選択して計算を行う道を開きます。

「我々のアルゴリズムにより、高速制御ハードウェアは実質的にリアルタイムでどの量子ビットが‘良好’か‘不良’かを特定できます。また、‘不良’量子ビットに関する有用な統計を数秒で取得でき、時間は数時間や数日ではなくなります。」Associate Professor Morten Kjaergaard – Niels Bohr Institute

長期的には、個々の“不良”量子ビットを何が引き起こすかを平均や推測に頼らずにより深く理解する新たな研究分野が開かれるでしょう。

結論

電子工学の黎明期と同様に、量子コンピューティングの進展は多方面からもたらされるでしょう。

重要な側面の一つは、より安定で耐久性のある量子ビットを作り出すことができる優れた超伝導材料の製造です。また、同時に超伝導スピン電流の形で情報を伝送できる可能性もあります。

一方、特定の量子ビットのデコヒーレンス検出を改善すれば、より複雑または製造が困難な材料に依存せずに、センサーとソフトウェア駆動の方法で性能を根本的に向上させることが可能です。

量子コンピューティング革新への投資

マイクロソフト

マイクロソフトはWindowsというオペレーティングシステムでの強力な存在感で最も知られていますが、他の多くの技術分野でも巨人です。

例えば、Office（Outlook、Word、Excel、PowerPoint）を含むビジネスソリューションのリーダーであり、企業向け通話（Teams）、クラウド共有ストレージ（OneDrive）、Visio（図表）、Loop（共同作業スペース）、Access（データベース）も提供しています。

クラウドサービスでは（AmazonのAWSが支配的）リーダーではありませんが、マイクロソフトはAzureプラットフォームを通じて世界のクラウドインフラの20％を占め、Google、Alibaba、Oracleの合計シェアと同等です。

出典: Statista

マイクロソフトはLinkedIn、GitHub、Xbox、そして世界最大級のビデオゲームスタジオの多くも所有しています。

AIに関しては、マイクロソフトは消費者向けアプリよりも技術的ユースケースやビジネスアプリケーションに注力しており、特に科学研究に有用なAIを対象としたAI4Scienceプログラムが挙げられます。

例えば、AIが3200万の潜在材料を50万の候補に絞り込み、さらに80時間未満で800にまで絞り込むことで、材料科学者が新しい分子やバッテリー電極を設計する作業を高速化しています。

出典: Microsoft

Unileverなどの企業はすでにこの「生成化学」を活用して科学的発見を加速させています。

これまで、量子コンピューティングに関しては、マイクロソフトはGoogleやIBMに遅れを取っているように見え、Azure Quantumで量子コンピューティングのクラウドサービスを提供していました。このサービスは、量子コンピューティングと従来のクラウドベースのスーパーコンピュータサービスを組み合わせた「ハイブリッドコンピューティング」も提供します。

出典: Microsoft

マイクロソフトが2025年初頭に独自のマヨラナ粒子ベースのチップを発表して以来、同社は量子コンピューティングの世界的リーダーの一つとなっています

トリプレット超伝導体のような新素材やリアルタイム校正の新たな可能性により、マイクロソフトは今後も進化を続け、これらの新ツールを自社の量子コンピュータに統合できる可能性が高いです。

(マイクロソフト全体にスポットライトを当てた当社の記事もご覧いただければ、同社をより詳しく理解できます。)

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参照された研究

<sup>1. F. Colangelo et al, 非中心対称NbReにおける逆スピンバルブ効果を通じた固有トリプレット超伝導性の解明. Phys. Rev. Lett. 135, 226002 – Published 25 November, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/q1nb-cvh6
2. Fabrizio Berritta, et al. 超伝導量子ビットにおける変動緩和率のリアルタイム適応追跡. Phys. Rev. X 16, 011025 – Published 13 February, 2026. DOI: https://doi.org/10.1103/gk1b-stl3</sup>