IonQは2026年10月9日、イオントラップ量子ビットとダイヤモンド製の量子メモリを光で接続し、毎秒1,032回の量子もつれを生成することに成功したと発表した。量子もつれとは、離れた量子ビット同士が互いに関連した量子状態を持つ現象で、複数の量子コンピューターを接続して計算を行うための重要な技術となる。今回の実験では、計算を担うイオンと、光との相互作用に優れた固体量子メモリを組み合わせることで、接続速度を大幅に向上させた。ただし、量子状態の読み出しまで含めた実効速度や、生成した状態の精度には課題も残る。異なる方式の量子ビットを1個の光子で結ぶ今回の技術は、分散量子計算のどのような制約を解消し、何を今後の課題として残したのだろうか。
毎秒1,032回の量子もつれ生成、実際の処理速度はどれほどか
今回の実験では、量子もつれの生成速度が毎秒1,032±11回に達し、目標とする量子状態との忠実度は87.9±0.7％だった。忠実度は、実際に生成した量子状態が目標の状態にどれほど近いかを示す指標であり、量子もつれの生成に成功する確率とは異なる。
研究成果は、IonQとDuke大学の研究者を含むLukas Hartung氏らによる論文「Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation」にまとめられ、10月7日にarXivへ査読前のプレプリントとして投稿された。今回の結果はシミュレーションによる予測ではなく、バリウム138イオン1個と量子メモリ1個を実際に接続して測定したものだ。
ただし、毎秒1,032回という数字を理解するには、どこまでの処理時間が含まれているのかを確認する必要がある。
論文本文によると、1,032回／秒という生成速度は、初期化を開始してから量子もつれの生成に成功し、その状態の読み出しを始めるまでの時間を基に算出されている。生成に失敗した場合の再準備も含まれており、1組の量子もつれを生成するまでに平均969±10マイクロ秒を要した。
ここに、生成した量子状態を評価するための読み出し時間664マイクロ秒を加えると、生成から測定までを通した処理速度は毎秒612±4回となる。
| 測定項目 | 実験結果 | 測定範囲・意味 |
|---|---|---|
| 量子もつれの生成速度 | 1,032±11回／秒 | 初期化・再準備から読み出し開始まで |
| 生成成功までの平均時間 | 969±10マイクロ秒 | 初期化を含む1組の生成時間 |
| 量子状態の読み出し時間 | 664マイクロ秒／組 | 生成後の量子状態を測定する時間 |
| 生成から測定までの処理速度 | 612±4回／秒 | 読み出しを含めた実効速度 |
| 目標状態との忠実度 | 87.9±0.7％ | 生成した量子状態を測定・再構成して評価 |
同じ実験でも、量子もつれの生成だけを測った毎秒1,032回と、読み出しまで含めた毎秒612回では、後者が約40.7％低くなる。これは論文の中心値を用い、「（1,032−612）÷1,032×100」で計算した値だ。
ただし、読み出し処理は量子状態の評価を目的としたもので、処理速度の最適化は行われていない。将来の分散量子計算では、この測定処理の代わりに、生成した量子もつれを利用するゲート操作が実行される。そのため、毎秒612回という数字が、量子コンピューター間の接続速度の上限を意味するわけではない。
IonQが比較対象として挙げているのは、O'Reilly氏らが2024年にPhysical Review Lettersで報告した、毎秒250回のイオン間光接続だ。
今回の生成速度はその4倍を超える。ただし、接続する量子ビットの種類や光子の検出方式が異なるため、同じ条件で量子コンピューター全体の性能が4倍になったという意味ではない。今回向上したのは、量子もつれの生成速度である。
2個の光子を使う従来方式から、1個の光子による接続へ
今回の技術的な進歩を理解するには、従来の量子もつれ生成方式との違いを見る必要がある。
従来の高速なイオン間接続では、両側のイオンから光子を1個ずつ取り出し、その2個を干渉させて検出する方式が使われてきた。
この方法では、両方の光子が検出装置まで届かなければ、量子もつれの生成に成功しない。片方の光子だけが届いても不十分だ。
そのため、各イオンから光子を取り出す効率を同じpとすると、成功確率はpの二乗に依存する。光子を取り出す際の損失が両側で発生するため、接続効率を高めるうえで大きな制約となる。
一方、今回の方式では、イオンから放出された光子を量子メモリに反射させ、戻ってきた1個の光子を検出する。
これにより、イオン側の光子取り出し効率に対する依存性を、従来のpの二乗からpへと変えられる。
もちろん、量子メモリとの相互作用や検出過程での光子損失は依然として発生する。しかし、2個の光子を同時にそろえて干渉させる必要がなくなるため、従来方式にあった制約を軽減できる。
ただし、イオンから出た光子をそのまま量子メモリへ送ればよいわけではない。
今回使用したバリウムイオンが放出する光子の波長は493.5ナノメートルであるのに対し、量子メモリが利用する光子の波長は737.45ナノメートルだ。
そこで研究チームは、量子情報を保ったまま光子の波長を変換する技術を使用した。さらに、光の振動方向を表す偏光に符号化された情報を、光子が早く到着するか、遅く到着するかという2つの時間成分に変換した。
量子メモリ側には、電子スピンの状態によって光の反射特性が変わる共振器が用意されている。
研究チームは、光子の早い時間成分と遅い時間成分の間でメモリのスピンを反転させ、両方の成分を利用して光子と量子メモリを相互作用させた。
その後、戻ってきた光子を、2つの時間成分を区別しない形で検出することで、イオンと量子メモリの間に量子もつれが生成されたことを確認できる。
さらに、光子が検出された時刻などに応じてリアルタイムで補正を行い、最終的に同じ目標状態を得られるようにした。
こうした一連の処理は、論文の図1と図2で詳しく説明されている。
イオンが計算、ダイヤモンド量子メモリが光との接続を担当
今回の実験で量子メモリとして使われたのは、「シリコン空孔中心（SiV）」と呼ばれる構造だ。
これはダイヤモンドの結晶中に形成される、シリコン原子を含む特殊な結晶欠陥である。名前にシリコンが含まれているが、シリコン製のメモリチップを意味するわけではない。
SiVの電子スピンを量子ビットとして利用し、光を閉じ込める微小な共振器と組み合わせることで、入射した光子と効率よく相互作用させられる。
イオントラップ方式では、電磁場によってイオンを閉じ込め、その量子状態を制御して計算を行う。一方、今回のSiVメモリは、光を介して量子情報を受け渡す役割を担っている。
イオン側では、真空容器の外に設置したレンズで放出された光子を集めるのに対し、メモリ側では共振器によって光との結合を強めている。
両側を同じ種類の量子ビットで構成するのではなく、それぞれの方式が得意とする機能を組み合わせた構成だ。
量子メモリが状態を保存できることは、将来、複数の量子コンピューターを接続する際に重要になる。
例えば、ある2つのノード間で生成した量子もつれを保存しておけば、別のノード間で次の量子もつれを生成するまで、その状態を保持できる。
論文では、SiVに含まれるシリコン29の核スピンに量子もつれを保存しながら、新たな接続を生成する技術が先行研究で示されていることにも言及している。
ただし、今回の実験で実証されたのは、イオンとSiVの電子スピンを結ぶ1本の量子リンクだ。
核スピンへの保存を組み合わせたネットワーク全体の動作や、2台の量子プロセッサを接続して分散計算を行うところまで実証されたわけではない。
こうした異なる種類の量子ビットを組み合わせる考え方は、米国防高等研究計画局（DARPA）が進めるHARQ（Heterogeneous Architectures for Quantum）計画の方向性とも一致している。
HARQは、計算・保存・通信という異なる役割に適した量子ビットを選び、それらを接続する技術や、各方式に演算を割り振るソフトウェアの開発を目指す計画だ。
IonQは、今回の接続方式について、中性原子方式や、マイクロ波と光を変換する装置を介した超伝導量子ビット方式への応用も期待している。
ただし、現時点で実際に接続を実証したのは、イオントラップ量子ビットとSiV量子メモリの組み合わせに限られる。
生成速度を高めるほど忠実度が下がる、その原因とは
今回の実験では、量子もつれの生成速度と忠実度の間にトレードオフが確認された。
状態を再準備するまでの試行回数を増やすと、初期化に費やす時間の割合が減るため、量子もつれの生成速度を高められる。
しかし、その一方で、生成された量子状態の忠実度は低下した。
原因の一つは、光子が量子メモリと相互作用した後、戻る途中で失われて検出されない場合があることだ。
この場合、光子を検出できなかったとしても、量子メモリのスピンにはすでに影響が生じている可能性がある。
具体的には、スピンの位相が乱れ、その影響が次の試行に持ち越される。つまり、光子が検出されなかったからといって、量子メモリには何も起きなかったと考えることはできない。
論文のTable 1では、各部分を独立した誤差要因と仮定した場合の忠実度低下について、イオン側が4.3％、量子メモリ側が3.9％と見積もられている。
さらに、波長変換による影響が2.9％、検出されなかった光子による影響が1.9％と評価されている。
ただし、これらは相関測定の結果を組み合わせて推定した値であり、単純に足し合わせれば全体の忠実度が求められるわけではない。
波長変換では、発生した雑音光を正常な信号と誤って検出する場合がある。また、イオン側では光変調器から漏れ出す光などが誤差の原因となる。
研究チームは、雑音光を取り除くフィルターや共振器の反射特性を改善し、量子メモリから検出器へ戻る光をより効率よく集めることで、こうした誤差を減らせると考えている。
量子もつれの生成速度と忠実度を同時に高めるには、イオンから光を集める部分だけでなく、波長変換から検出に至る光学系全体の改良が必要になる。
また、装置の冷却も課題の一つだ。
今回の量子メモリは、論文の図3に示された装置構成によると、約100ミリケルビンという絶対零度に極めて近い温度で動作している。
著者らは、歪みを加えたSiVが1.5ケルビンでも動作した先行研究を挙げ、小型の冷凍機を利用できる可能性にも言及している。
ただし、今回達成した生成速度と忠実度を、より高い温度でも維持できるかどうかは、別途検証する必要がある。
分散量子計算には毎秒1万〜10万回が必要、商用化への課題
今回、IonQが実証した生成速度は約1kHz、つまり毎秒約1,000回だった。
しかし、論文では、実用的な分散量子計算に必要な量子もつれの生成速度として、10〜100kHz、すなわち毎秒1万〜10万組を見込んでいる。
これは、既知の量子アルゴリズムと、近い将来に実現が期待される量子ビットの忠実度や誤り訂正方式を前提に、複数のモジュール間で論理演算を継続的に実行するために必要と推定した値だ。
今回の約1kHzという速度は、開発が進むイオン型量子コンピューターの約1ミリ秒という演算周期に近づいた成果ではあるものの、分散量子計算に必要とされる水準にはまだ達していない。
研究チームは、イオンから光ファイバーへの光の結合効率や信号経路を改善し、量子メモリのどちらのスピン状態でも光を反射できる別のゲート方式を採用すれば、5kHzを超える生成速度が期待できるとしている。
ただし、これは今後の改良によって達成できると見込まれる数値であり、今回の実験で実証されたものではない。
さらに、複数の量子リンクを並列に動かしたり、保存した量子もつれを利用したりする段階では、単一リンクで得られた忠実度を複数のノード間でも維持できるかが重要になる。
量子メモリの製造技術についても、IonQは研究を進めている。
同社はElement SixやAmazon Web Servicesと共同で進めたダイヤモンド薄膜に関する研究について、量子メモリや量子接続装置を半導体製造工程に組み込むための技術的な道筋と位置付けている。
ダイヤモンド薄膜をシリコンなどの基板に接合できれば、既存の半導体加工技術を活用し、光スイッチや変調器などと組み合わせやすくなる。
ただし、今回の実験によって量産時の製造コストや歩留まりまで実証されたわけではない。
研究用システムの導入も進められている。
IonQは4月13日、メリーランド大学とのQLab共同研究契約を750万ドルで拡張した。
この契約には、SiV量子メモリノードの配備に加え、量子コンピューターへのアクセス拡大、共同研究、実験装置の更新などが含まれている。750万ドルは契約全体の金額であり、量子メモリ単体の販売価格を示すものではない。
また、9月21日に発表された韓国SDTとの提携では、量子コンピューター「Superion 256」とSiV量子メモリの供給に加え、韓国・亀尾に製造およびシステム統合拠点を設ける計画が示された。
ただし、こうした契約や提携は、今回実証した接続速度で商用の量子データセンターがすでに稼働していることを意味するものではない。
今回IonQが示したのは、異なる方式の量子ビットが持つ長所を組み合わせ、光子の損失による制約を軽減しながら、高速な量子接続を実現できる可能性だ。
今後、量子もつれの生成速度と忠実度をさらに高め、量子状態の保存や複数リンクの制御まで実証できれば、小規模な量子コンピューターを相互に接続して計算能力を拡張する構想が、実用化へ一歩近づくことになる。
