MITの物理学者が発見した新たなキュービットは、最大10秒間「重ね合わせ」状態を保ち、量子コンピューターの有望な基盤となる可能性がある。
この状態では、キュービットは他のキュービットと通信し、複数の情報の流れを処理できるはずであり、従来型コンピューターでは処理に何年もかかる問題をすばやく解ける。
振動するキュービットを使った実用的な量子コンピューターを実現するには、フェルミオン対を個別に制御する方法も見つける必要がある。
MITの物理学者が新たな量子ビット、すなわち「キュービット」を発見した。それは、フェルミオンとして知られる、振動する原子対の形をとる。フェルミオン対を冷却し、光格子に閉じ込めると、粒子は同時に二つの状態をとりうることが分かった。これは重ね合わせと呼ばれる奇妙な量子現象だ。この場合、原子は二つの振動状態の重ね合わせにあり、対の原子は互いに揺れ動きながら、同時に同期して振動していた。
研究チームは、数百組の振動するフェルミオン対でこの重ね合わせ状態を維持できた。これにより、比較的長時間にわたって安定しているとみられる、新たな「量子レジスター」、すなわちキュービットのシステムを実現した。研究成果は本日、学術誌「Nature」に掲載され、こうした揺れ動くキュービットが、将来の量子コンピューターの有望な基盤となる可能性を示している。
キュービットは量子コンピューティングの基本単位だ。現在のコンピューターで使われる古典ビットが、0か1のいずれかの状態から一連の論理演算を行うのに対し、キュービットは両方の状態の重ね合わせに存在できる。この繊細な中間状態にあるキュービットは、多数の他のキュービットと同時に通信し、複数の情報の流れを一度に処理できるはずであり、従来型コンピューターでは処理に何年もかかる問題をすばやく解ける。
キュービットには多くの種類があり、人工的に作られるものもあれば、自然に存在するものもある。多くのキュービットは非常に不安定で、重ね合わせ状態を維持できなかったり、他のキュービットとの通信が困難だったりする。
これに対し、MITチームの新たなキュービットは極めて安定しているようで、環境ノイズの中でも二つの振動状態の重ね合わせを最大10秒間維持できる。研究チームは、この新たな振動するキュービットを短時間相互作用させ、瞬く間に数万回の演算を実行できる可能性があると考えている。
「これらのキュービットが相互作用するのに必要な時間はわずか1ミリ秒と見積もっています。つまり、そのコヒーレンス時間内に1万回の演算が期待でき、他の方式と競争できる可能性があります」と、MITのトーマス・A・フランク物理学教授、マーティン・ツヴィールライン氏は述べる。「ですから、これらのキュービットで計算を行えるようにする具体的な見込みがあります。」
ツヴィールライン氏は、筆頭著者のトーマス・ハートケ氏、ボトンド・オレグ氏、ジア・ニンユエン氏とともに論文の共著者を務めている。いずれもMIT電子工学研究所のメンバーだ。
思いがけない発見
研究チームの発見は、当初、偶然に起きた。ツヴィールライン氏のグループは、極低温かつ極めて低密度の原子の振る舞いを研究している。原子を星間空間の温度の100万分の1まで冷却し、空気の密度の100万分の1の密度で孤立させると、量子現象や新たな物質の状態が現れることがある。
こうした極限条件のもとで、ツヴィールライン氏らはフェルミオンの振る舞いを研究していた。フェルミオンとは、技術的には中性子、陽子、電子のように、半整数スピンが奇数の粒子を指す。実際には、フェルミオンはもともと互いに反発し合う性質を持つ。二つの同一なフェルミオンが同じ量子状態を占めることはできない。この性質はパウリの排他原理として知られる。たとえば、一方のフェルミオンが上向きにスピンすれば、もう一方は下向きにスピンしなければならない。
電子はフェルミオンの典型例であり、電子同士に働くパウリの排他原理は、原子の構造や元素の周期表の多様性を生み出し、宇宙に存在するあらゆる物質の安定性にも寄与している。また、素粒子の数が奇数である原子もフェルミオンに当たり、こうした原子も自然に互いを反発する。
ツヴィールライン氏のチームは、カリウム40のフェルミオン原子を偶然研究していた。フェルミオンの雲を100ナノケルビンまで冷却し、レーザーを使って原子を閉じ込める光格子を作った。格子の各ポテンシャル井戸にフェルミオン対が閉じ込められるよう条件を調整した。初めに、特定の条件下ではフェルミオン対が単一の分子のように同期して動くように見えることを観察した。
この振動状態をさらに調べるため、フェルミオン対にそれぞれ衝撃を与え、格子内の原子の蛍光画像を撮影した。すると、周期的に格子の大半のマス目が暗くなり、分子として結合した対があることを示していた。しかし、撮影を続けると原子は周期的に再び現れた。これは、対が二つの量子振動状態の間を振動していることを示していた。
「実験物理学では、明るい信号が見えたと思った次の瞬間には、二度と戻らないほど完全に消えてしまうことがよくあります」とツヴィールライン氏は言う。「今回は暗くなったあと、再び明るくなり、それが繰り返されました。この振動は、時間とともに変化するコヒーレントな重ね合わせがあることを示しています。うれしい瞬間でした。」
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「低い唸り音」
さらに画像撮影と計算を行った結果、物理学者たちは、フェルミオン対が二つの振動状態の重ね合わせを保っていることを確認した。二つの振り子が同期して揺れるように、対は同時に一緒に動き、また互いに対して、あるいは逆向きにも動いていた。
「二つの状態の間を約144ヘルツで振動しています」とハートケ氏は述べる。「低い唸り音のように、耳で聞き取れる周波数です。」
研究チームは、フェッシュバッハ共鳴と呼ばれる効果を通じて磁場を加え、その強さを変えることで、この周波数を調整し、フェルミオン対の振動状態を3桁の範囲で制御できた。
「相互作用しない二つの振り子から始めて、磁場を加えることで両者の間にばねを作り、そのばねの強さを変えて、振り子をゆっくり引き離していくようなものです」とツヴィールライン氏は言う。
この方法で、約400組のフェルミオン対を同時に操作できた。集団として、キュービットは最大10秒間、重ね合わせ状態を維持し、その後、個々の対は一方またはもう一方の振動状態へと収束することが観察された。
「これらのキュービットの状態を完全に制御できることを示しました」とツヴィールライン氏は言う。
振動するキュービットを使った実用的な量子コンピューターを実現するには、フェルミオン対を個別に制御する方法も見つける必要がある。この課題は、物理学者たちがすでに解決に近づいている。より大きな課題は、個々のキュービット同士を通信させる方法を見つけることだ。これについて、ツヴィールライン氏にはいくつかの考えがある。
「このシステムでは、二つのキュービットを相互作用させられることが分かっています」と同氏は言う。「対の間の障壁を下げ、互いに近づけて相互作用させた後、再び分離させる方法があります。その過程は約1ミリ秒です。ですから、量子コンピューターの実現に必要な2キュービットゲートへの道筋は明確です。」
この研究は、全米科学財団、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団、ヴァネヴァー・ブッシュ教員フェローシップ、アレクサンダー・フォン・フンボルト財団の一部支援を受けた。
