超伝導と量子が出会うとき（第1部）：ダブルバフ重ね合わせの楽しさ

制作：中国科学普及協会

著者: ルアン・チュンヤン (清華大学物理学科)

プロデューサー: 中国科学博覧会

最近、量子コンピューティングの分野は新たな画期的な進歩を達成しました。 Googleの量子人工知能研究チームは、超伝導量子コンピューティングソリューションを使用して、量子ビットの数を増やすことで量子コンピューティングのエラー率を削減できることを証明し、量子エラー訂正の実現可能性を検証しました。この研究成果は世界トップクラスの科学雑誌「ネイチャー」に掲載され、学界や産業界から広く注目を集めた。

2019年、研究チームは「ネイチャー」の表紙を飾る極めて重要な論文を発表し、その中で超伝導量子コンピューティングソリューションを使用して初めて「量子超越性」を達成した。具体的には、研究チームは53個の超伝導量子ビットを備えた量子コンピュータを開発し、当時世界一のスーパーコンピュータでも完了するのに約1万年かかる非常に複雑な特定の計算タスクをわずか200秒で解決することに成功し、量子コンピューティングの巨大な計算可能性を示しました。

ほとんどの人にとって、「超伝導」と「量子」は、馴染みがありながらも馴染みのない言葉です。人々に何度も驚きを与えている「超伝導量子コンピューティング」とはいったい何なのだろうか、と誰もが疑問に思うはずだ。ここでの「超伝導量子コンピューティング」と超伝導にはどのような関係があるのでしょうか?これは「量子コンピューティング」とどのような関係があるのでしょうか?量子コンピュータは非常に強力なのに、なぜ科学者は量子コンピュータのエラー修正を支援する方法を見つけなければならないのでしょうか?

次に、3つの記事を使ってこれらの問題を一つずつ説明します。

超伝導：ご存知だと思いますが、まだ飛ばさないでください

「超伝導量子コンピューティング」と超伝導にはどのような関係があるのでしょうか?これは超伝導現象から始まります。

超伝導は非常に興味深く重要な物理現象です。これは、ある臨界温度以下（通常は数十ケルビン以下、つまり摂氏マイナス 200 度程度）では、材料が電流を損失なく伝送できるため、抵抗がゼロになるという特性を示すことを意味します。

従来の導電性材料は抵抗の存在により、送電線内の電気エネルギーの一部を熱エネルギーに変換し、避けられない電力損失を引き起こし、莫大なエネルギーの浪費につながります。超伝導材料を使用して送電線を製造すると、送電損失が大幅に削減され、エネルギー効率が向上します。

超伝導体

（写真提供：Veer Gallery）

超伝導状態の物質は、ゼロ抵抗特性に加えて、マイスナー効果としても知られる完全反磁性と呼ばれるさらに驚くべき特性を持っています。

具体的には、超伝導状態にある物質を外部磁場の中に置くと、超伝導物質の内部に等しく反対の磁場が発生します。この磁場は外部磁場を打ち消すため、超伝導体内の総磁場は常にゼロのままになります。この特性により、多くのアプリケーションで価値が高まります。たとえば、工学では、超伝導体の反磁性を利用して磁気浮上列車を設計します。

超伝導反磁性

(画像出典: Wikipedia)

実際、超伝導現象は 1911 年に初めて発見されて以来、100 年以上にわたって存在しています。科学者たちは、超伝導材料の素晴らしい物理的特性とその実用的な応用の可能性を研究してきました。 1960 年代以降、集積回路技術の継続的な発展に伴い、科学者たちは量子コンピューティングの実現を目指して、量子力学の基本原理を利用して特定の回路を構築しようとしてきました。

量子: あなたが知っている量子は本当の量子だと思いますか?

「疑問があるときは、量子力学に頼ってください。」このフレーズを聞いたことがありますか?量子というと、量子ウォーターカップ、量子グラス、量子インソールなどの製品を思い浮かべる人もいるでしょう。実際のところ、それらは量子とまったく同じであるとは言えず、完全に無関係であるとしか言えません。

実際のところ、量子力学は神秘的なものではありません。これは、微視的世界における小さな粒子の運動法則を記述する物理理論です。量子力学をより直感的に理解してもらうために、「量子」と「力学」という 2 つの単語に分けて説明します。

実際、「量子」は実際の粒子ではなく、エネルギーの最小単位です。この概念には長い歴史があります。 19 世紀末、物理学の実験技術が継続的に進歩するにつれ、科学者たちはそれまで観察が困難だったいくつかの微視的現象を発見し始めました。これらの新しい現象は、古い物理理論では説明できませんでした。

これらの現象を説明するために、科学者たちは微視的世界の微小粒子間の相互作用を記述する新しい理論的枠組みを構築しようと試みてきました。新しい理論的枠組みの中で、科学者たちは、エネルギーの変化はもはや連続的ではなく、常に「量子」と呼ばれるエネルギーの最小単位が存在することを発見しました。

「力学」といえば、高校の物理の授業で習った「力は物体の運動状態を変える原因である」という一文を誰もが覚えていると思います。言い換えれば、「量子」と「力学」を組み合わせると、実際には微視的世界の小さな粒子の運動法則が説明されます。

もちろん、理論体系の継続的な改善により、「量子」と「力学」の理論は、微粒子間の相互作用や微視的物質の構造をさらにカバーするようになりました。伝説によると、最終的に「量子」と「力学」を 1 つに統合し、「量子力学」と名付けた科学者は、アインシュタイン自身でした。

したがって、量子力学は神秘的なものではなく、私たちがマクロの世界に住んでいて、ミクロの世界の変化を感じることができないというだけのことです。しかし、量子力学に現れる量子重ね合わせなどの概念は、私たちの生活に現実的な影響を及ぼし始めています。量子コンピューティングは、量子力学の基本原理を使用して計算を実行するまったく新しい方法です。

量子コンピューティングは、携帯電話、コンピューター、電卓など、私たちの日常生活で目にするものです。これらはすべて、0 または 1 の状態しか処理できない従来のコンピューターであり、基本的な計算単位はビットと呼ばれます。量子コンピューティングでは、並列コンピューティングのために情報を 0 と 1 の重ね合わせ状態にエンコードすることができ、この 0 と 1 の両方の状態を同時に表現できる基本的なコンピューティング単位を量子ビット (キュービット) と呼びます。

言い換えれば、量子ビットが 0 と 1 の重ね合わせ状態を同時にエンコードできるため、量子コンピューティングは指数関数的なスーパーコンピューティング能力を持つことができ、特定のコンピューティング問題に関して従来のコンピューターよりも高速にタスクを完了することができます。

一般の人々の印象では、「量子」には、常に謎めいたイメージがあります。これは、量子が最新の科学の進歩や SF 作品と関連付けられることが多く、量子コンピューティングが謎めいた計算速度を表しているからです。私たちがよく知る超伝導と、謎に包まれた量子コンピューティングが出会うと、どんな火花が散るのでしょうか。

はい、冒頭で触れた「超伝導量子コンピューティング」です。

超伝導 + 量子コンピューティング = 超伝導量子コンピューティング

ここでは、超伝導量子コンピューティングの中核となる概念を誰もがよりよく理解できるように、いくつかの基本的な回路の知識を紹介する必要があります。たとえば、回路モデルを想像してみましょう。回路全体のエネルギーが量子力学によって処理されると、奇妙な現象が発生します。

回路のエネルギー変化は連続的ではなく、最小エネルギー単位で増加または減少することしかできなくなります。

これはどういう意味ですか？日常生活で階段を上り下りするのと同じように、エレベーターが発明される前は、廊下のどこにいても歩くことができました。たとえば、3 階または 4 階で停止することも、3 階と 4 階の間の階段に留まることもできます。これは継続的な変化のプロセスとみなすことができます。しかし、エレベーターに乗ると決まった階にしか滞在できず、3階と4階の間に滞在することはできません。この最小単位でのみ変化する様子が量子力学特有の「離散現象」です。

（写真提供：Veer Gallery）

つまり、量子力学によって処理された後、回路システムのシステムエネルギーは特定の特定の状態にしか存在できず、離散的な特性を持つこのエネルギー状態には、エネルギーレベルというより鮮明な名前が付けられています。

等距離のエネルギーレベルのこの特殊な構造は、量子コンピューティングを実現するために直接使用することはできません。その理由は非常に単純です。回路システム全体の最も低い 2 つのエネルギー レベルのみをそれぞれ 0 と 1 としてエンコードし、何らかの方法で 2 つのエネルギー レベル間の遷移を実現すると想像してください。

このとき、システム全体のエネルギーレベル間隔は等しいため、この遷移は 0 状態と 1 状態の間だけでなく、より高いエネルギーを持つエネルギーレベル間でも発生します。たとえば、状態 1 と状態 2 の間、および状態 2 と状態 3 の間で遷移が発生します。その結果、多数のエネルギー レベル間で不規則な遷移しか実行できず、0 と 1 の状態のみをエンコードする量子ビットを構築することはできません。

このとき、超伝導材料が必要になります。

科学者は超伝導材料を使用して、このエネルギーレベルの等間隔を人工的に破壊できる魔法の電気構造を作成し、それによって 0 と 1 の状態を安定してエンコードできる量子ビットを構築します。

科学者たちは、2つの超伝導体の間に薄い絶縁層（厚さ約1nm）を挿入すると、「超伝導体-絶縁層-超伝導体」の「サンドイッチ」構造が形成されることを発見しました。このとき、回路システムのエネルギーは直線的に変化しなくなります。エネルギーレベルが高くなるほど、エネルギーレベル間の間隔は小さくなります。この特殊なサンドイッチ構造はジョセフソン接合とも呼ばれます。

ジョセフソン結び目

（画像出典：著者描き下ろし）

このようにして、ジョセフソン接合で構成される超伝導回路は、2 つの最低エネルギー レベルをそれぞれ状態 0 と 1 にエンコードすることができ、安定した超伝導量子ビットを構築できます。

現在、超伝導量子ビットには「フラックスビット」と「トランスモンビット」という2つの主流のタイプがあります。

（写真提供：Veer Gallery）

このうち、「フラックスビット」はインダクタ素子Lとジョセフソン接合から構成されます。このとき、超伝導回路には時計回りと反時計回りの 2 つの異なる電流方向が存在する可能性があります。これらはシステムの異なるエネルギー状態を表し、それぞれ量子ビットの 0 状態と 1 状態にエンコードできます。

「トランスモンビット」は、コンデンサ素子 C とジョセフソン接合で構成されています。このとき、超伝導回路では驚くべき現象が発生します。つまり、回路内の電荷は、外部からの制御によってさまざまなエネルギー状態で現れる可能性があるのです。したがって、より低いエネルギー状態を 0 状態としてエンコードし、励起されたより高いエネルギー状態を 1 状態としてエンコードすることで、計算に参加する同様の量子ビットを構築できます。

さらに驚くべきことは、温度が超伝導材料の臨界温度よりも低い場合、元々絶縁層によってブロックされていた両端の超伝導体の電子が実際に中間の絶縁層を通過できるようになり、両端の超伝導体の間に非線形の電流関係が確立されることです。

したがって、超伝導量子コンピューティングは、超伝導現象の研究と量子コンピューティングの開発に基づいています。超伝導材料の特殊な特性を利用して非線形電気素子であるジョセフソン接合を構築し、0 と 1 の状態を安定してエンコードできる超伝導量子ビットを構築し、最終的には超計算能力を持つ量子コンピューティングを実現します。

超伝導量子コンピューティングのソリューションは、今日の集積回路技術と互換性があり、大きなスケーラビリティの可能性があることから、学界と産業界で広く研究されてきました。一方、超伝導量子コンピューティングは、高度に操作可能で、さまざまな種類の科学研究や実用的なニーズを満たすことができる人工の量子システムです。そのため、超伝導量子コンピューティングは急速に発展し、今日では主流の量子コンピューティングソリューションの 1 つとなっています。

結論

今日の主流の量子コンピュータ実装ソリューションにとって、超伝導量子コンピューティングは、強力な制御性と現在の集積回路技術との互換性という利点があります。しかし、その超伝導量子ビットは外部ノイズによる干渉を非常に受けやすく、一連のエラーが発生します。量子コンピュータは、これほど強力であるにもかかわらず、なぜ間違いを犯すのでしょうか?次のエピソードをお楽しみに。