コンピューティング
キュービットの理解 – テレポーテーションと制御相互作用のブレークスルー
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量子コンピューティングの世界では多くのことが進行しています。チップ大手のNvidia (NVDA ) は量子コンピューティングの取り組みを加速させるオープンソースのCUDA-Qプラットフォームを立ち上げ、中国は最大規模の量子コンピューティングチップを開発しました。そして、マンチェスター大学の科学者たちは次世代コンピュータへの道を開く超純粋シリコンを開発しました。
量子コンピュータに関するこのような興奮と開発は、暗号学、薬剤探索、複雑な最適化問題の解決、機械学習アルゴリズムの強化など、さまざまな分野で膨大な可能性を秘めていることから、納得のいくものです。
量子コンピュータは、原子レベル、さらにはそれ以下の亜原子レベルでの物質とエネルギーの振る舞いと性質である量子理論を利用することで、これらすべてを実現できます。量子コンピューティングは光子や電子などの亜原子粒子を利用します。キュービット（量子ビット）は、これらの粒子が同時に複数の状態に存在できるようにし、制御装置によって操作されます。
従来のコンピュータより指数関数的に高速で、しかもエネルギー消費を抑えるために、量子コンピュータは重ね合わせとエンタングルメントを利用します。
重ね合わせは、二つ以上の量子状態を組み合わせて新たな有効な量子状態を作り出すことです。キュービットの重ね合わせにより、量子コンピュータは何百万もの操作を同時に処理できます。
エンタングルメントは、二つのシステムが結びつき、一方の状態を知ることで即座にもう一方の状態が分かる現象です。これにより、量子コンピュータは高速で複雑な問題を解くことが可能になります。
ここでの問題はデコヒーレンスで、放射線、振動、温度変化などの要因によりキュービットの量子状態が失われることです。これが計算エラーの原因となります。キュービットを干渉から保護するために、真空チャンバー、断熱、超低温冷蔵庫に配置されます。
ご覧のとおり、キュービットは量子コンピューティングを実現する上で重要な役割を果たしますが、まだすべてが解明されているわけではありません。しかし、最近の二つの独立した実験によりキュービットに対する理解が深まり、実用的な量子コンピュータ構築への重要な一歩となっています。
量子テレポーテーションの達成
新しい研究により、通常は量子状態の転送を妨げるノイズがあるにもかかわらず、量子テレポーテーションが成功裏に実現されました。テレポーテーションでは、粒子自体を送らずにキュービットがある場所から別の場所へ転送されます。
理論的には、量子状態の転送は問題なく行えるしかし実際の世界では、妨害やノイズが量子テレポーテーションの品質を低下させます。そのため、最新の研究では、ノイズがあるにもかかわらず完全な量子テレポーテーションを実現することが偉業であると指摘しています。
Science Advances誌に掲載され、研究は、エンタングルメントとデコヒーレンスが多くの量子プロトコルや技術に対する逆作用であることについて述べています。
A研究によれば、任意の長距離にわたる相関で発生する量子エンタングルメントは、量子力学の基礎にとって非常に重要です。それは情報処理や通信に多くの応用があります。しかし、量子系と環境との相互作用は避けられず、デコヒーレンスはこれらの応用性能を著しく低下させる可能性があります。
デコヒーレンスを抑制する有望なプロトコルは多数存在し、最近の研究ではデコヒーレンスフリーサブスペース、動的デカップリング、量子誤り訂正コード、遅延コヒーレント量子フィードバック、補助サブシステムによるリザーバーエンジニアリングなどが活用されていますが、実際にデコヒーレンスを回避することは極めて困難です。
そのため、本研究は完全なデコヒーレンス下での量子テレポーテーションのための効率的なプロトコルを提案しました。
中国科学技術大学（合肥）とフィンランド・トゥルク大学の研究者らが実施した本研究は、開放量子系の文脈で補助キュービットとそれらの局所環境間の多体系ハイブリッドエンタングルメントを利用し、高精度を実現しました。
研究者によれば、線形光学はさまざまな量子情報プロトコルを実行し、デコヒーレンスを伴う問題を研究するための特に堅牢なプラットフォームです。
トゥルク大学のJyrki Piilo教授によると、本研究は分散エンタングルメントの概念を利用しています。このエンタングルメント配布は使用されるキュービットを超えており、プロトコルを実行する前に行われます。Piiloは「異なる物理的自由度間のハイブリッドエンタングルメントを活用する」ことを意味すると述べました。
従来、テレポーテーションでは光子の偏光がキュービットのエンタングルメントに使用されてきましたが、新しいアプローチは光子の偏光と周波数間のハイブリッドエンタングルメントを活用しています。
これにより、ノイズがプロトコルに与える影響が大きく変化します。実際、この発見は「ノイズの役割を有害からテレポーテーションに有益へと逆転させる」ものだとPiiloは述べました。
従来、キュービットエンタングルメント時にノイズがあるだけでなく、最初にハイブリッドエンタングルメントがノイズなしで存在する場合、テレポーテーションプロトコルは機能しませんでした。これに対し、ハイブリッドエンタングルメントを確立した後にノイズを加えると、テレポーテーションと量子状態転送がほぼ完璧に行われます。
このように、最新の発見は光子使用時に伴うノイズにもかかわらず、ほぼ理想的なテレポーテーションを可能にします。
「私たちは実験室で光子を用いた量子物理のさまざまな側面について多数の実験を行ってきましたが、この非常に挑戦的なテレポーテーション実験が成功裏に完了したことは非常に興奮し、やりがいのあることでした。」
本研究は、デコヒーレンスと戦うだけでなく、ハイブリッドエンタングルメントが別のセキュリティ層をもたらしたことも指摘しています。研究は次のように述べています：
「テレポートされた情報がどれだけ深く隠蔽できるかを調査することは、将来の興味深い研究課題になるでしょう。」
これは始まりに過ぎず、本研究は量子プロトコルの将来の研究への新たな道を開く根本的な重要性を持っています。この技術の応用例の一つは、量子テレポーテーション以外の状態転送やデコヒーレンスフリーサブスペースを超える領域への適用です。
さらに、この研究は他の物理プラットフォームや異なるノイズ源においてデコヒーレンスを逆転できるかどうかを検証する可能性も開きます。
量子コンピューティングの現状についてはこちらをご覧ください。
従来型シリコントランジスタでの2キュービットゲートの実現
スイス最古の大学であるバーゼル大学の研究者らが、National Center of Competence in Research (NCCR) SPIN と協力して実施した別の研究では、従来のシリコントランジスタ内で二つのホールスピンキュービット間の制御可能な相互作用を実現するという画期的な成果が得られました。
Natureに掲載され、バーゼル大学からのオープンアクセス資金提供を受けた本研究は、半導体スピンキュービットが産業用トランジスタ技術を活用して大規模量子コンピュータを製造する可能性を提供すると指摘しています。
量子コンピュータが計算を実行するためには「量子ゲート」が必要で、これはキュービットを操作し相互に結合させる操作です。最新の研究では、二つのキュービットを結合させるだけでなく、一方のスピンが他方のスピン状態に依存して制御的に反転することにも成功しました。この結合は二つのスピンキュービット間の交換相互作用に依存しています。
「ホールスピンは高速かつ高忠実度の二量子ビットゲートを作成できることを可能にします。この原理により、より多くのキュービットペアを結合させることも可能になりました。」
– Dr. Andreas Kuhlmann
研究者らは数年前に既存の電子デバイス内のホールスピンがキュービットとして捕獲・利用できることを示しましたが、Kuhlmannはバーゼルの物理学者チームを率いて、制御可能な二つのキュービット間相互作用の実現に成功しました。
対象となるキュービットは電気的に制御可能で、電荷やノイズを打ち消すスイートスポットを持つ利点がありますが、二量子ビット相互作用の実証は困難でした。
本研究によれば、強いスピン軌道相互作用下での交換結合の理解が欠けていました。この課題に対処するため、研究者はシリコンの「FinFET」またはフィン電界効果トランジスタ内の二つのホールスピンキュービットを調査しました。スピン軌道結合は、ホールのスピン状態が空間を移動する際に影響を受けることを意味します。
したがって、半導体量子ドット（QD）スピンキュービットは大規模量子回路の将来実装に最も適していると見なされています。しかし、現在最も高度なスピンベースの量子プロセッサでもシリコン（Si）上で六つの電子スピンキュービットの汎用制御が可能です。これに続く形で、ゲルマニウム中のホールを用いた四キュービット実証が行われています。
本研究では、電子またはホールのスピンを利用するキュービットが使用されました。電子もホールもスピンを持ち、上向きまたは下向きの状態を取ります。
電子スピンと比較して、ホールスピンは軌道縮退やオンチップマイクロマグネットなどの追加コンポーネントを必要とせず、完全に電気的に制御できます。これは、ホールが固有のスピン軌道相互作用（SOI）を持つためです。さらに、ホールはハイパーファイン相互作用が低減され、谷が存在しないという利点もあります。
このように、本研究は交換相互作用を電気的に制御し、24 nsで条件付きスピンフリップを実行できることを示しています。交換ハミルトニアンはもはやヘisenberg形ではなく、速度と精度を犠牲にせずに二量子ビット制御回転ゲートを実現できるよう設計可能です。研究によれば：
「この理想的な挙動は広範な磁場方向にわたって適用され、キュービット間のばらつきに対して概念が堅牢であることを示し、大規模量子コンピュータ実現のための適切なアプローチであることを示唆しています。」
本研究は、1枚のチップ上に数百万のホールスピンキュービットを配置できる可能性を示唆しています。そのアプローチは大規模量子コンピュータの開発に大きな可能性を示しています。
デバイス製造の将来的な改善が必要で、変動性を低減する必要があります。頑丈な制御回転（CROT）スイートスポットと組み合わせることで、これらの進歩は「異方性交換を伴う二量子ビットゲート操作を大規模キュービットアレイにとって非常に魅力的にする」でしょう。
研究の進展は、高速読み出しと1 K以上での動作と組み合わせれば、FinFETが古典制御エレクトロニクスで使用されるチップ上の汎用量子プロセッサとして利用できるようになります。
量子コンピュータ開発に関わる企業
では、現在量子コンピュータに積極的に取り組んでいる企業を見てみましょう：
#1. IBM
IBMは長年にわたり量子コンピューティング研究をリードし、回路ベースの商用量子コンピュータであるIBM Q System Oneを開発しました。同社はIBM Quantum Experienceプラットフォームを通じて量子システムへのアクセスを提供しています。
今月初め、IBMは1,000以上のキュービットを持つ量子プロセッサ「Condor」と、133キュービットのユーティリティ規模プロセッサ「IBM Quantum Heron」を発表しました。また、モジュラー量子コンピュータ「Quantum System Two」の立ち上げも発表しました。一方、ソフトウェアスタックQiskitを通じて、量子コンピューティングの開発を広くアクセス可能にすることを目指しています。
今年、国内の国立研究所RIKENは、IBMの量子プロセッサと量子コンピュータアーキテクチャをスーパーコンピュータFugakuと統合することを発表しました。
同社の最近の研究には：
- 高閾値かつ低オーバーヘッドのフォールトトレラント量子メモリ。
- ブレークイーブンを超える忠実度を持つマジックステートのエンコーディング。
- クラウドベースの超伝導量子コンピュータ上での大規模量子スピンチェーンのシミュレーション。
IBM 価格チャート
執筆時点で、同社の株価は167.36ドルで、年初来2.33%上昇しており、時価総額は153.73億ドルです。IBMは過去12か月の売上高が620.7億ドル、EPSが9.19、P/Eが18.22と報告しています。配当利回りは3.99%です。
2024年第1四半期の財務報告では、IBMは四半期売上高が145億ドルに1.5%増加し、フリーキャッシュフローが19億ドルとなりました。同社は「堅実な売上とフリーキャッシュフローの成長」がクラウドとAI戦略の強さを反映していると述べています。
#2. Google
量子コンピューティングの分野で、GoogleはQuantum AIラボを通じてハードウェアとソフトウェアの両方で進展を遂げています。数年前に同部門は53キュービットの量子プロセッサ「Sycamore」を立ち上げました。現在、同社のハードウェアは超伝導キュービットに焦点を当て、先進的なソフトウェアスタックは量子コンピューティングの可能性を探求しています。
数か月前、Googleは量子コンピューティングの実世界ユースケースを見つけるための多年度グローバルコンペティションを開始し、賞金5百万ドルを最終候補者に分配する予定です。Googleは3月に次のように述べました：
「量子コンピューティングの可能性に楽観的になる理由は数多くありますが、どのように、いつ、どの実世界問題に対してこの技術が最も変革的になるかについてはまだ不透明です。」
同社の最近の研究には、表面コード論理キュービットのスケーリングによる量子エラー抑制、ランダム回路サンプリングにおける相転移、ノイズの多い量子プロセッサ上での測定誘起エンタングルメントとテレポーテーションが含まれます。
GOOGL 価格チャート
執筆時点で、同社の株価は107.48ドルで、年初来21.94%上昇しており、時価総額は2.12兆ドルです。Googleは過去12か月の売上高が2,181.4億ドル、EPSが6.52、P/Eが26/13と報告しています。配当利回りは0.47%です。
2024年第1四半期の決算では、売上高が13%増の863億ドル、純利益が202.8億ドル、史上初の1株当たり20ドルの配当を実施しました。2024年春には時価総額が2兆ドルの新たなマイルストーンに到達し、世界で4番目に価値のある上場企業となりました。
結論
実用的な量子コンピュータを構築する競争が続いており、研究者はキュービットの理解とさまざまなキュービット技術の活用に注力しています。キュービットは量子コンピュータの基盤であり、データの処理、転送、保存をすべて担います。したがって、ここで取り上げた最新の二つの研究を含め、すべての研究はキュービットを中心に展開されており、実用的な量子コンピュータの構築に貢献することを目指しています。
