現実世界での「MOSS」の探求（第3回）：量子コンピューティング競争の「最前線」

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

2023年初頭に公開されたSF映画『流転の地球2』では、「MOSS」は極めて高い知能と超計算能力を備えた最強の量子コンピューターとして描かれ、宇宙のさまざまな危機に直面した人類に強力なサポートを提供します。この驚異的な計算能力のインスピレーションは、現実世界の量子コンピュータ技術の進歩から生まれました。このような素晴らしい想像力は、映画にSF的な要素を加えるだけでなく、テクノロジーの将来の発展について人々に無限の想像力を抱かせます。

『流浪の地球2』の「MOSS」

（写真提供：映画『流転の地球2』のスチール写真）

しかし、現実の世界では、量子コンピュータの基本的な計算単位である量子ビットは環境ノイズによる干渉を非常に受けやすく、量子コンピュータの開発と実用化に大きな制限が生じています。そのため、安定した量子ビットを構築するために適切な物理的キャリアをどのように見つけるかが、科学者が研究してきたテーマとなっています。

伝説の量子ビットとは一体何でしょうか?

私たちが日常生活で接する電子機器のほとんどは、従来の古典的なコンピュータです。従来のコンピュータの基本的な計算単位はビットであり、0 状態または 1 状態のみを決定論的に表現して、データに対するバイナリ演算を完了します。

量子コンピュータはまったく新しい計算方法を使用します。基本的な計算単位は量子ビット (キュービット) であり、状態 0 と状態 1 の重ね合わせを同時に表現できます。つまり、量子ビットは、一定の確率で状態 0 を表すことができ、一定の確率で状態 1 を表すことができます。量子ビットのこの素晴らしい特性のおかげで、量子コンピュータは特定の問題に対して 0/1 重ね合わせ状態で並列演算を実行し、従来のコンピュータをはるかに超える指数関数的に強力な計算能力を得ることができます。

量子コンピュータの基本的な計算単位である量子ビットは、内部に 2 つの区別可能なエネルギー状態 (エネルギー レベル) を持つ必要があります。これらの状態は、それぞれ状態 0 と状態 1 に安定的にエンコードでき、外部駆動によって状態 0 と状態 1 の間で確率的な遷移を実現できます。しかし、前述のように、量子ビットは環境ノイズの影響を非常に受けやすいのです。

量子コンピュータの仕組み

（写真提供：フォルクスワーゲンAG）

幸いなことに、自然界に存在する一部の天然粒子は非常に安定した物理的特性を持っているため、外部のノイズによって簡単に乱されることはありません。同時に、その内部には通常 2 つの安定したエネルギー状態 (エネルギー レベル) があり、科学者は特定の自然粒子を人工的に操作して、0/1 の重ね合わせ状態を安定してエンコードできる量子ビットを構築しようとしています。

これらの自然粒子には通常、荷電イオン、非荷電原子、単一光子が含まれます。それらの共通の特徴は、量子ビットに対する上記の要件を満たしていることです。選択された粒子に応じて、量子コンピュータは、イオントラップ量子コンピューティング（荷電イオン）、冷原子量子コンピューティング（非荷電原子）、光量子コンピューティング（単一光子）の 3 つのタイプに分けられます。

自然粒子を使用して量子ビットを構築するこの方式は、「自然 2 レベル システム」とも呼ばれます。シンプルで安定しており、操作も簡単なため、広く研究されている最も古い物理システムの 1 つです。今日、自然な 2 レベル システムは、量子コンピューティング競争における「第一線」に発展しました。次。このチームのさまざまなメンバーを簡単に紹介したいと思います。

イオントラップ量子コンピューティング - 荷電イオンを「閉じ込める」!

自然界に存在する数多くの粒子候補の中で、科学者が最初に思い浮かべる粒子は荷電イオンであり、それは次の 2 つの考慮事項に基づいています。

まず、イオン内部には明確に区別できるエネルギーレベルがあり、エネルギーレベルの構造は比較的単純であるため、0/1 の重ね合わせ状態をエンコードする量子ビットを構築するのは比較的簡単です。第二に、イオン自体が電荷を帯びているため、単一のイオンは外部の電場と磁場の作用下で安定して捕捉され、それによって荷電イオンの動きが非常に狭い空間範囲に制限され、イオントラップが形成されます。

荷電イオンが上記 2 つの利点を持っているからこそ、1995 年にはすでに科学者たちは荷電イオンを使って量子ビットを構築し、真の量子コンピュータを実現することを提案していました。

インスブルックの物理学者が4つのエンタングルメントイオンをノイズの多い環境にさらす

(画像出典: phys.org)

しかし、単電荷イオンを人工的に操作するのは容易ではなく、主に次の 2 つの技術的問題に直面しています。

まず、大気中にはさまざまな電荷を持つ粒子が多数存在します。大気にさらされた荷電イオンは、反対の電荷を持つ粒子と容易に反応します。では、どうすれば単一の電荷を帯びたイオンを安定的に捕捉し、長期間安定して閉じ込めることができるのでしょうか?

2つ目は、平均サイズが0.02ミクロン未満で質量がわずか2〜3×10-22グラム程度の単一イオンの内部エネルギーレベルを細かく操作し、0/1の重ね合わせ状態をエンコードできるイオン量子ビットを構築する方法です。

最初の問題については、イオンが電気的に中和されるのを防ぐために、荷電イオンを超高真空度のチャンバー内に隔離する必要があります。一般的に、超高真空空洞内の圧力は10の-9乗-9Paに達し、これは月の表面の真空レベルとほぼ同等です。

荷電イオンをさらに十分に狭い空間に閉じ込めるためには、イオンの捕捉を完了するために「電場-磁場」の複合効果も必要です。さらに、実験ではレーザー冷却を使用してイオンの移動速度を低下させ、超高真空チャンバー内でほぼ静止した荷電イオンを取得します。

10のマイナス9乗Paの超高真空を実現できるイオントラップシステム

（画像出典：著者提供）

2 番目の質問については、単一の捕捉されたイオンを人工的に操作できるようにするために、科学者は通常、レーザー スポットの直径を数ミクロン程度に焦点を合わせ、それによって荷電イオンの内部エネルギー レベル間の遷移を引き起こします。さらに、同様の操作は、マイクロ波やその他の方法を使用して実験的に実現できます。

1989年、物理学者のポール・デメルトとデメルトは「イオントラッピング技術の開発」によりノーベル物理学賞を共同で受賞した。

1989年のノーベル物理学賞受賞者3名

(画像出典: sciencedirect)

現在までに、トラップされたイオンに基づく量子コンピューティングは急速に発展し、その精度は 99.9% を超えています。さらに、ますます多くのイオントラップの新興企業が、捕捉イオン数の拡大に関する研究に投資し、数百のイオンの安定した捕捉と関連する量子コンピューティングの実証を達成しています。

もちろん、イオンの数が増え、より高度な制御が必要になるにつれて、イオントラップ量子コンピューティングは構造設計と処理技術の面で依然として課題に直面しており、これは将来の科学者にとって重要な研究分野の 1 つでもあります。

冷たい原子量子コンピューティング - 原子：冷たい！ 「光ピンセット」で捕らえられる

イオントラップ量子コンピューティングは、エネルギーレベル構造が単純で安定しているという特徴がありますが、イオン数自体のスケーラビリティが不十分であることが、さらなる発展を制限する主な制限要因となってきました。そのため、科学者たちは、継続的に拡張できる数千の粒子からなる物理システムを構築したいと考え、別の自然粒子に注目し始めました。この自然界の粒子は中学校で習った原子です。

原子構造の模型は皆さんもある程度見たことがあると思います。中学校の校門横の花壇にあったり、科学館の片隅に現れたりすることもあります。この古典的な原子構造モデルは通常、2 つの部分で構成されます。1 つは中心に位置する正に帯電した原子核で、もう 1 つは原子核の外側を周回する多数の負に帯電した電子です。したがって、原子自体の正電荷と負電荷はバランスが取れており、原子全体としては帯電特性を示しません。

（写真提供：Veer Gallery）

原子自体は電荷を帯びていないため、科学者は原子を捕獲するために、トラップされたイオンに似た「電場-磁場」法を使用することはできません。これには、原子を安定的に捕捉し、対応する量子ビットを構築するための別の技術の開発が必要です。

幸いなことに、科学者たちは、レーザー光線を原子の表面に集中させると、原子は3方向で最大光強度の点を指す力を感じるということを発見しました。このようにして、原子は3方向からの力によって同時にレーザーの最も強い点の付近まで押し込まれます。

この「トラップのような」メカニズムは、原子を特定の空間に閉じ込め、収束する光線の動きに合わせて移動することができます。収束した光線がピンセットのように原子を閉じ込めるため、この機構は「光ピンセット」とも呼ばれます。

2 量子ビット ゲートの概念図。このシステムでは、光ピンセット（ピンク色の光）で捕捉された 2 つの原子（1 μm 離れている）が、持続時間がわずか 10 ps の超高速レーザーパルス（青色の光）によって操作されます。

（写真提供：富田貴文/IMS）

一般的に、光ピンセットで捕捉された原子はほぼ静止状態にあり、対応する安定温度はわずか数ミリケルビン (mK) 程度です。そのため、光ピンセット技術によって結合された中心原子は「冷たい原子」とも呼ばれます。

光ピンセット

(画像出典: Wikipedia)

科学者は光ピンセット技術を使用して中性原子の量子状態を正確に操作できるだけでなく、異なる原子間の相互作用をさらに実現し、一連の高精度の量子ゲート操作を構築できることは注目に値します。

光ピンセット技術の柔軟性により、中性原子に基づく冷原子量子コンピューティング ソリューションは、高いスケーラビリティと柔軟な操作性という非常にユニークな利点を備えています。アーサー・アシュキンらが2018年のノーベル物理学賞を受賞したのも、光ピンセット技術の発明のおかげでした。

2018年ノーベル物理学賞受賞者

（画像出典：2018年ノーベル物理学賞公式サイト）

現在までに、光ピンセット技術は、任意の光アレイ形状を実現し、任意の領域に異なる中性原子を安定的に閉じ込めることができるまでに発展しており、1,000個以上の中性原子を安定的に閉じ込めることができます。さらに、科学者たちは、システムの拡張性をさらに向上させるために、元の単純な2次元平面を3次元の空間構造に拡張しようと積極的に取り組んでいます。

ただし、光ピンセット技術にも一定の制限があります。これは、光ピンセットによって生成される結合力は中性原子を安定して捕捉できるものの、この力はまだ非常に弱いためです。冷原子量子コンピューティング操作の最後には、中性原子の量子状態を検出するために追加のレーザー光が必要となり、これにより光ピンセットに元々含まれていた中性原子が失われます。

つまり、各操作の後に、冷原子量子コンピューティングでは光ピンセットを使用して新しい中性原子を捕捉する必要があり、技術的な難易度が増し、計算速度が低下します。もちろん、科学者たちは中性原子の安定した結合を実現するためのより効果的な方法も積極的に模索しています。近い将来、中性原子に基づく量子コンピューティング ソリューションが実際のアプリケーションで活躍するようになると信じています。

光量子コンピューティング: 光子も参加

最後に現れる自然粒子は光子です。これは、誰にとっても馴染みがあり、また馴染みのない物理学の概念です。光子は光を構成する基本的な粒子です。ビームの形で移動し、空気、水、ガラスなどの媒体を貫通することができます。さらに、光子自体は電荷を帯びていないため、外界と相互作用することが困難です。

言い換えれば、光子は私たちの従来の印象における物質粒子ではなく、粒子と波動の両方の性質を持つ一種の基本粒子です。

光子

(画像出典: 天文学)

光子が空間を伝播するとき、特定の固有の振動周波数で光速で前進します。光子の振動の軌跡を2次元平面上にプロットすると、中学校の数学で習った正弦関数のような形になります。この 2 次元平面は光子の特定の偏光状態を表します。

しかし、3 次元空間を伝播する光子の振動の方向は連続的に変化できることを考えると、光子は異なる偏光状態を持つ可能性があることになります。光子の動きの正面に立って観察すると、光子の振動の軌跡は水平の直線（水平偏光）、垂直の直線（垂直偏光）、ほぼ完全な円（円偏光）などになることがわかります。

偏光状態図

(画像出典: Wikipedia)

光量子コンピューティング方式では、科学者は光子の「偏光状態」という素晴らしい特性を利用して光量子ビットを構築します。具体的には、水平偏光状態を 0 としてエンコードし、垂直偏光状態を 1 としてエンコードすることで、単一の光量子ビットの構築が完了します。

光子の偏光状態を正確に操作および測定するために、偏光ビームスプリッターや波長板などの光学デバイスを実験的に使用して、光量子ビットに対して計算操作を実行することができます。

USTC、113個の光子を搭載した「九章2」量子コンピューティングプロトタイプの開発に成功

(画像出典: ustc.edu.cn)

光量子コンピューティング ソリューションには、3 つの明らかな利点があります。

まず、光子自体は基本的に外部環境と相互作用しないため、自然な隔離特性を持ち、ノイズの多い環境でも邪魔されずに存在できます。第二に、光子は光速で伝播し、室温および大気条件下で動作できるため、実験操作性に優れています。第三に、光子の伝播を光ファイバーなどの光学デバイスとさらに統合することで、システムの小型化を実現し、室温での小型光量子システムを構築することができます。

しかし、光子自体の特殊性ゆえに、光量子コンピューティングシステムは、極めて高速な伝送速度で光子を効果的に保存することができず、また、弱い光子は光ファイバー伝送中に失われやすいという問題もあります。さらに、光子間に相互作用がないため、異なる光子間の相互作用やそれに対応する量子ゲート操作を実験的に実現することも困難です。

結論

要約すると、自然な 2 レベル システムは、その自然な信頼性と安定性により量子ビットの構築に使用でき、それによって 0/1 のエンタングルメント状態を表すことができます。これらの 2 レベル システムを制御および読み取ることで、異なる量子ビット間の相互作用を実現し、量子コンピューティングにおけるアルゴリズムと操作を実現できます。

もちろん、大規模な量子コンピュータの構築は依然として非常に困難な課題ですが、自然な 2 レベル システムの使用により、この分野は着実に進歩しています。実際、多くの科学者は、自然の 2 レベル システムが大規模量子コンピューターを構築するための最も有望なアプローチの 1 つであると考えています。そのため、自然な2レベルシステムは量子コンピューティングで広く使用されており、量子コンピューティングトラックの「第一軍」となっています。

では、量子コンピューティング分野の他のプレーヤーはどのようなエキサイティングなパフォーマンスを見せてくれるのでしょうか?ここで皆さんをハラハラさせておくので、次の章で明らかにしましょう!

編集者：孫晨宇