量子コンピュータをこれまでよりも高い温度で動作させるという画期的な成果が報告された

masapoco
投稿日
2024年4月12日
Microsoft Quantum Computer

何十年もの間、量子コンピューターの追求は、絶対零度(0ケルビン、-273.15℃)よりほんの数分の1度高いだけの極低温の必要性と格闘してきた。というのも、量子コンピュータにユニークな計算能力を与えている量子現象は、我々が住む馴染み深い古典的世界の温かさから隔離することでしか利用できないからだ。

量子ビット(「qubit」)1個は、古典コンピューティングの中核をなす2進数の「0か1か」のビットに相当し、機能するためには大きな冷凍装置が必要だ。しかし、新素材や新薬の設計など、量子コンピューターが飛躍的な進歩をもたらすと期待される多くの分野では、大量の量子ビット、あるいは量子コンピューター全体が並列に動作する必要がある。

信頼性の高い計算に不可欠な、エラーを管理し自己修正できる量子コンピュータは、巨大な規模になることが予想される。Google、IBM、PsiQuantumのような企業は、倉庫全体が冷却システムで満たされ、1台の量子コンピューターを動かすために膨大な電力を消費する未来に備えている。

しかし、量子コンピューターが少しでも高い温度で機能するようになれば、その運用はより簡単になり、より広く利用できるようになるだろう。『Nature』誌に掲載された新しい研究で、我々の研究チームは、ある種の量子ビット(個々の電子のスピン)が、これまでの例よりもはるかに高温の1K前後で動作することを示した。

冷たく厳しい事実

冷却システムは低温になるほど効率が低下する。さらに悪いことに、量子ビットを制御するために現在使われているシステムは、1940年代のENIACやその他の巨大コンピュータを彷彿とさせるような、配線が絡み合ったゴチャゴチャしたものである。これらのシステムは加熱を増加させ、量子ビットを一緒に動作させるための物理的なボトルネックを作り出す。

量子ビットを詰め込もうとすればするほど、問題は難しくなる。ある時点で、配線の問題は克服できなくなる。

それ以降は、制御システムを量子ビットと同じチップに組み込む必要がある。しかし、このような集積エレクトロニクスは、大量の配線よりもさらに多くの電力を消費し、より多くの熱を放散する。

温故知新

我々の新しい研究は、前進の道を示すかもしれない。我々は、既存のマイクロチップ製造に使用されているのとよく似た技術を用いて、シリコン上に金属電極を印刷した量子ドットで作られた特殊な量子ビットが、1K付近の温度で動作することを実証した。

これは絶対零度より1度高いだけなので、まだ極低温である。しかし、これまで考えられていたよりもかなり暖かい。このブレークスルーは、広大な冷凍インフラをより管理しやすい単一システムに凝縮する可能性がある。運用コストと消費電力を劇的に削減できるだろう。

このような技術的進歩の必要性は、単に学術的なものではない。量子コンピューターは、分子構造の理解と相互作用の方法に革命をもたらすと期待されている。

このような産業における研究開発費は数十億ドルにのぼり、量子コンピューティング技術をより身近なものにすることで、コスト削減と効率化が実現する可能性を物語っている。

ゆっくりとした燃焼

“より高温”の量子ビットは新たな可能性をもたらすが、同時にエラー訂正と制御に新たな課題をもたらす。温度が高くなるということは、測定エラーの発生率が高まることを意味する。

量子コンピューターの開発はまだ始まったばかりである。量子コンピューターが今日のシリコンチップのようにユビキタスになる日が来るかもしれないが、その未来への道は技術的なハードルで埋め尽くされるだろう。

量子ビットをより高温で動作させるという我々の最近の進歩は、システムの要求をよりシンプルにするための重要な一歩である。

量子コンピューティングが、専門研究所の枠から、より広範な科学界、産業界、商業データセンターへと脱皮する可能性に希望を与えるものである。


本記事は、Andrew Dzurak氏とAndre Luiz Saraiva De Oliveira氏によって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Quantum computing just got hotter: 1 degree above absolute zero」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。



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