量子もつれ——かつてAlbert Einsteinが「不気味な遠隔作用」として退けた現象——は長い間、一般の人々の想像力を掴み、熟練した科学者でさえも困惑させてきた。
しかし、今日の量子技術の実践者にとって、現実はむしろ平凡なものである。量子もつれは粒子間の一種の結合であり、量子コンピュータの真髄となる特徴なのだ。
これらの装置はまだ初期段階にあるが、量子もつれこそが、分子、医薬品、触媒などの自然な量子システムのより優れたシミュレーションなど、従来のコンピュータにはできないことを可能にするものである。
『Science』に本日発表された新しい研究において、私と同僚たちは約20ナノメートル離れた2つの原子核間の量子もつれを実証した。
これは大したことではないように思えるかもしれない。しかし、我々が用いた手法は、量子情報を保存する最も精密で信頼性の高いシステムの一つを使用して量子コンピュータを構築するのに役立つ可能性がある、実用的かつ概念的なブレークスルーである。
制御とノイズのバランス
量子コンピュータエンジニアが直面する課題は、2つの相反するニーズのバランスを取ることだ。
脆弱な計算素子は、外部からの干渉やノイズから遮蔽されなければならない。しかし同時に、意味のある計算を実行するためには、それらと相互作用する方法が必要となる。
これが、最初の動作する量子コンピュータを目指して、依然として多くの異なるタイプのハードウェアが競争している理由だ。
あるタイプは高速演算の実行に非常に優れているが、ノイズの影響を受けやすい。他のタイプはノイズから十分に遮蔽されているが、操作が困難でスケールアップが難しい。
原子核同士を会話させる
私のチームは、今日まで第2のカテゴリーに分類できるプラットフォームに取り組んできた。我々はシリコンチップにリン原子を埋め込み、原子核のスピンを使用して量子情報をエンコードしてきた。
有用な量子コンピュータを構築するには、多数の原子核を同時に扱う必要がある。しかし、これまで複数の原子核を扱う唯一の方法は、それらを固体内で非常に近くに配置し、単一の電子で囲むことだった。
我々は通常、電子を原子核よりもはるかに小さいものと考える。しかし、量子力学は、電子が空間に「広がる」ことができ、複数の原子核と同時に相互作用できることを教えてくれる。
それでも、単一の電子が広がることのできる範囲はかなり限られている。さらに、同じ電子にさらに多くの核を追加すると、各核を個別に制御することが非常に困難になる。
遠隔の核をもつれさせる電子「電話」
これまで、原子核は防音室に入れられた人々のようなものだったと言える。全員が同じ部屋にいる限り互いに話すことができ、会話は本当にクリアである。
しかし、外からは何も聞こえず、部屋に入れる人数には限りがある。したがって、この会話モードはスケールアップできない。
我々の新しい研究では、まるで人々に他の部屋と通信するための電話を与えたようなものである。各部屋の内部は依然として静かで良好だが、今やはるかに離れた場所にいても、より多くの人々と会話できるようになった。
電子と「幾何学的ゲート」を介してもつれた2つの原子核のアーティストによる想像図。(Credit: Tony Melov / UNSW Sydney)
この「電話」は電子である。空間に広がる能力により、2つの電子はかなりの距離で互いに「触れる」ことができる。
そして、各電子が原子核に直接結合している場合、核は電子間の相互作用を介して通信できる。
我々は、数年前にシリコン中の原子で高精度な量子演算を実行するために使用した「幾何学的ゲート」と呼ばれる方法を用いて、電子チャンネルを使って核間に量子もつれを作り出した。
今回——シリコンでは初めて——この方法が同じ電子に結合した核のペアを超えてスケールアップできることを示した。
集積回路への適合
我々の実験では、リン原子核は20ナノメートル離れていた。これがまだ小さな距離のように思える場合、確かにその通りである。2つのリン原子の間にはシリコン原子が40個未満しかない。
しかし、これは日常的なシリコントランジスタが製造されるスケールでもある。20ナノメートルスケールで量子もつれを作り出すことは、我々の長寿命で十分に遮蔽された核スピン量子ビットを、携帯電話やコンピュータのような標準的なシリコンチップの既存のアーキテクチャに統合できることを意味する。
将来的には、電子を物理的に移動させたり、より細長い形状に圧縮したりできるため、もつれ距離をさらに押し広げることを想定している。
我々の最新のブレークスルーは、電子ベースの量子デバイスの進歩が、長寿命の核スピンを使用して信頼性の高い計算を実行する量子コンピュータの構築に応用できることを意味している。