この「優等生」はイオントラップと呼ばれるのですか？量子コンピューティングにおける「スコアリングキング」

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (国立国防科学技術大学理学部)

ウー・ウェイ（国立国防科学技術大学理学部）

王宇同（清華大学物理学博士）

プロデューサー: 中国科学博覧会

量子コンピューティングに関して、読者の頭に最初に浮かぶのは、有名な超伝導量子コンピューティング システムだと思います。しかし、1995年に物理学者のイグナシオ・シラックとピーター・ゾラーは、安定してトラップされたイオンを使用して量子論理ゲートの動作を実現し、量子コンピューティングシステムを構築するという革新的な方法を提案しました。これは「イオントラップ量子コンピューティング」と呼ばれています。現在、イオントラップ量子コンピューティングと超伝導量子コンピューティングは、真の実用化が期待される量子コンピューティングの2つの主流ソリューションであると考えられています。

名前が示すように、「イオントラップ量子コンピューティング」は、イオンを特定のポテンシャル井戸に安定的にトラップし、量子ビットをエンコードして量子コンピューティングに参加できるようにすることです。したがって、「イオン」と「ポテンシャル井戸」はシステムの最も重要な2つの要素であり、「イオントラップ量子コンピューティング」の動作原理を理解するための鍵でもあります。

図1 ポテンシャル井戸内に安定的に閉じ込められたイオンの模式図。

各白い点は単一のイオンを表し、軸方向の黄色の矢印は DC 電界を表し、交互の緑色の矢印は AC 電界を表します。

（画像出典：著者描き下ろし）

では、なぜ科学者はトラップされたイオンを選択するのでしょうか?イオントラップ量子コンピューティングシステムは、超伝導量子コンピューティングシステムと同等であり、量子コンピューティングを実現するための2大主流技術の1つとなることを可能にする独自の利点は何ですか?これらの疑問に答えながら、この控えめながらも強力なイオントラップ量子コンピューティング システムを詳しく見ていきましょう。

イオン量子ビット - 小さな物体に大きな能力

実際、イオンは電荷を持つ原子なので、その内部には当然安定したエネルギーレベル構造が存在します。この特性を利用して、科学者はイオン内の 2 つの特定のエネルギー レベルを選択し、それを量子ビットと呼ばれる安定した 2 レベル システムにエンコードすることができます。

単一のトラップされたイオン内の 2 レベル システムの場合、高エネルギー状態を |1⟩ 状態、低エネルギー状態を |0⟩ 状態とラベル付けできます。イオンの内部エネルギーレベル間の遷移は量子力学の確率原理に従うため、単一のイオンのエネルギー状態は同時に |1⟩ 状態と |0⟩ 状態の重ね合わせになる可能性があり、イオン量子ビットとして量子コンピュータの並列計算に参加することができます。

さらに、イオントラップシステムで N 個のイオンを安定的にトラップできれば、理論的には N 個の独立したイオン量子ビットをエンコードできます。これらのイオン量子ビットは、特定のレーザー光線場とマイクロ波場の精密な制御下で、2N 乗の並列量子演算を実行でき、量子コンピュータの強力な並列処理機能を実証します。

図2 18個の171Yb+イオンを含むイオン鎖

（画像出典：著者提供）

イオントラップ量子コンピューティング システムについて詳細に議論する場合、規模と統合に向けた開発における重要なマイルストーン、つまり QCCD (量子電荷結合素子) 方式とも呼ばれるイオントラップ量子コンピューティング チップに基づくイオン輸送方式について言及する必要があります。

具体的には、イオントラップ量子コンピューティング チップは複数の空間機能領域を持つように設計されており、複合電界を調整することで異なる機能領域間でのイオンの正確な輸送を実現します。これらの領域は、量子ビットのストレージ、論理ゲートの操作、量子状態の測定などの重要なタスクを担当します。これらの操作を有機的に組み合わせることで、QCCD 方式では、イオンの総数の増加によって各量子操作の忠実度が低下しないことを保証できます。これは、大規模な汎用量子コンピューティングを実現するための鍵となります。

図3 イオントラップ量子コンピューティングチップに基づくイオン輸送方式

QCCDスキームの概略図

（画像出典：参考文献[2]）

イオントラップ量子コンピューティングチップの研究が、米国国家核安全保障局傘下のサンディア国立研究所から継続的な投資を受けているのは、まさにその優れた性能のためです。サンディア国立研究所は2010年に、初のイオントラップ量子コンピューティングチップを準備してテストし、40Ca+の捕捉に成功しました。その後、2016年にサンディア国立研究所は、イオンを100時間以上安定して捕捉できる新世代のイオントラップ量子コンピューティングチップ「HOA-2.0」を開発しました。 2020年に、同研究所は、より複雑な電極構造とより優れたイオン輸送性能を備えたイオントラップ量子コンピューティングチップ「フェニックスとペレグリン」を発売した。

イオントラップ量子コンピューティング - 量子コンピューティングの「スコアリングキング」

最先端の超伝導量子コンピューティング システムと比較して、イオントラップ量子コンピューティング システムは多くの独自のパフォーマンス上の利点を備えており、量子コンピューティングの最先端研究における「得点王」と見なされています。これは、次の 3 つの側面に反映されています。

1. エラー率が低い: イオンは超高真空キャビティ内に安定して閉じ込められ、外部環境からの干渉を効果的に分離し、レーザー場の駆動下で特定の量子操作を実現できます。現在、イオントラップ量子コンピューティング システムは、最高忠実度の単一量子ビット ゲート (99.9999%) と最高忠実度の 2 量子ビット ゲート (99.94%) の世界記録を樹立しています。

2. 高い接続性: トラップされたイオン間のクーロン長距離相互作用により、同じイオンチェーン内の異なるイオンは、レーザー場の駆動下で互いに完全に接続された情報相互作用を実現できるため、並列計算能力が大幅に向上します。

3. 超長いデコヒーレンス時間：特定の動的デカップリング方式と協調冷却技術を採用することで、イオン量子ビットの量子特性を環境から効果的にデカップリングし、最長の単一量子ビットコヒーレンス時間（5500秒）を設定しました。

2023年12月には、世界最大のイオントラップ量子コンピューティング企業であるQuantinuumも上記のQCCDソリューションを採用し、32個のイオンキュービットを備えた「H2」イオントラップチップを発売し、平均忠実度99.997%のシングルビット量子論理ゲートと忠実度99.8%の完全接続2ビット量子論理ゲートを実現し、科学界から広く注目を集めました。同社は2024年6月に、新たにアップグレードされたイオントラップ量子コンピューティングチップ「H2-1」を発売し、56イオンキュービットに拡張しました。デュアル量子ビットゲートの忠実度は 99.914% と高く、臨界値「スリーナイン」に到達した初の商用量子コンピュータとなります。

図4 イオントラップ量子コンピューティング企業Quantinuumが発表したイオントラップチップ（画像提供：Quantinuum）

単一の指標に焦点を当てた超伝導量子コンピューティングシステムと比較して、イオントラップ量子コンピューティングシステムは、「スコアリングキング」として、量子コンピューティングパワーの全体的な向上に重点を置きます。

一般的に言えば、量子コンピュータの全体的な計算能力は、量子ビットの数、量子ビットの接続性、量子エンタングルメントゲートの忠実度という 3 つの側面から総合的に検討する必要があります。これら3つの側面を統合した重要な指標が「クォンタムボリューム（QV）」です。量子体積が大きいほど、量子コンピュータの全体的な計算能力は強力になります。現在、イオントラップ量子コンピューティングシステムは2の20乗に達しており、世界最大の量子ボリュームを持つ量子コンピューティングシステムとなっています。

図5 Quantinuumの量子体積（QV）が新たな世界記録に到達（2の20乗）

（画像出典：Quantinuum、参考文献[3-4]）

中国のイオントラップチップの進歩は世界最先端だが、世代間のギャップはまだある

2014年には、国立国防大学の研究チームが国内初のイオントラップチップを設計し、関連する専門人材の育成と確保を実現しました。 2016年、研究チームは初期のイオントラップチップで38個の1次元40Ca+イオン鎖を捕捉することに成功しました。研究チームは、第 1 世代のイオントラップ チップの研究を基に、第 2 世代と第 3 世代のイオントラップ チップを開発し、20 個のイオンの量子コヒーレント操作を実現するとともに、量子と古典のハイブリッド アルゴリズムを実証しました。

図6 国立国防大学が開発した第3世代イオントラップチップの概略図

（画像提供：国防大学テクノロジーイオントラップ研究チーム）

さらに、我が国のイオントラップチップの研究チームには、清華大学、中国科学技術大学、南方科技大学などの機関も含まれています。現在、我が国のイオントラップチップの総合的な研究レベルは世界最先端にありますが、世界トップクラスの研究チームと比較すると、まだ5～8年の研究世代のギャップがあります。

近年、科学機器や主要技術に対する国際的な禁輸措置により、我が国の研究チームはイオントラップチップの最先端の研究において、「料理上手は米なしでは料理できない」という科学研究のジレンマに直面しています。一方で、高純度原子ターゲット、高性能レーザー、高度なチッププロセスなどの主要コンポーネントは十分な技術サポートを受けることができません。一方、イオントラップ量子コンピューティングに従事する専門人材は明らかに不足しており、既存の研究チームが長期的な人材消耗に陥る可能性が高くなります。

量子コンピューティングの展望——足元を気にしながら未来を見据えよう

量子コンピューティングは急速に発展しているものの、まだ初期段階にあり、どの技術ルートが勝利するかを判断するには時期尚早です。現在、科学界の主流の見解は、真に実用的な量子コンピュータを実現するためには、量子コンピューティングの優位性の検証、ノイズの多い環境での中規模量子コンピューティング（NISQ）、一般化可能な量子コンピューティングという「3段階」の開発戦略に従う必要があるというものです。

現在、人類は「3ステップ」戦略の第一段階である量子コンピューティングの優位性の検証を完了し、量子エラー訂正の分野で確固たる一歩を踏み出し、「3ステップ」戦略に沿って着実に前進し続けています。近い将来、「3段階」戦略を完了した後、量子コンピュータは特定のアルゴリズム問題を解決するために使用されるだけでなく、新しい品質の生産性に対する強力なコンピューティングパワーのサポートを提供し、コンピューティングパワーの飛躍的な発展を実現します。

参考文献:

[1] Cirac JI、Zoller P. 冷却トラップイオンによる量子計算[J]。フィジカルレビューレターズ、1995年、74(20):4091。

[2] Kielpinski D、Monroe C、Wineland D J. 大規模イオントラップ量子コンピュータのアーキテクチャ[J]。ネイチャー、2002、417(6890):709-711。

[3] クォンティニウム。 Hシリーズの進歩量子ボリューム改善軌道[EB/OL]。 [2024-04-16]. https://www.quantinuum.com/news/quantinuum-extends-its-significant-lead-in-quantum-computing-achieving-history-milestones-for-hardware-fidelity-and-quantum-volume。

[4] モーゼスSA、ボールドウィンCH、オールマンMS、他レーストラック型トラップイオン量子プロセッサ[J]。フィジカルレビューX、2023、13(4):041052。