量子コンピュータにブレークスルー：鍵は「量子テレポーテーション」、分散処理で性能が飛躍的に向上

2025年2月10日

当記事のリンクにはアフィリエイト広告が含まれています。

オックスフォード大学の研究チームが、世界で初めて複数の量子プロセッサをまたいで分散量子アルゴリズムを実行することに成功した。この画期的な成果は、従来のスーパーコンピュータでは実現不可能だった計算を可能にする、拡張性の高い量子コンピュータの実現に向けた重要な一歩となる。

分散コンピューティングが量子コンピュータの拡張性問題を解決

量子コンピュータは、その潜在能力を最大限に発揮するためには、数百万もの量子ビット（キュービット：qubit）が必要となる。しかし、現在の技術では、多数の量子ビットを単一の装置に集積することには、サイズや量子状態の維持など、多くの課題が存在する。

オックスフォード大学の研究チームは、この問題に対し、複数の小さな量子プロセッサをネットワークで接続し、計算を分散させるというアプローチでの解決策を提示した。この方法では、各モジュールは少数の捕捉イオントラップ型量子ビットを含み、光ファイバーを用いて光子（フォトン）を介してデータを送受信する。このフォトニックリンクにより、異なるモジュール内の量子ビットを量子もつれ（エンタングルメント）状態にすることが可能となったが、特筆すべきは、量子テレポーテーションを用いて、量子アルゴリズムの基本要素である論理ゲートをネットワーク経由で転送することに世界で初めて成功した点だ。

量子テレポーテーションによる論理ゲートの転送

従来の研究では、量子テレポーテーションは物理的に離れたシステム間の量子状態の転送に焦点が当てられていた。今回の研究では、量子テレポーテーションを用いて、異なるシステム間の相互作用を生成する。具体的には、慎重に調整された相互作用により、別々の量子コンピュータに格納された量子ビット間で、量子コンピューティングの基本操作である論理量子ゲートを実行できるようになった。

この技術は、従来のスーパーコンピュータが複数のコンピュータを連携させて処理能力を高める仕組みに似ている。単一のデバイスに大量の量子ビットを集積する際に生じる多くの技術的な障壁を回避しつつ、正確で堅牢な計算に必要なデリケートな量子特性を維持できる。

グローバーのアルゴリズムで有効性を実証

分散量子コンピューターに取り組むDougal MainとBeth Nichol。(Credit: John Cairns)

研究チームは、この分散型量子システムの有効性を、グローバーのアルゴリズムを実行することで実証した。グローバーのアルゴリズムは、量子コンピュータの得意とする分野の一つで、古典コンピュータでは膨大な時間がかかる非構造化データからの特定パターンの検索を、量子コンピュータの得意とする重ね合わせと量子もつれを利用することで、高速に処理することができるものだ。今回の実験成功は、分散型量子システムが、従来のスーパーコンピュータの計算能力を凌駕する可能性を示し、分散型量子システムが、単一デバイスの限界を超える量子能力を拡張できることを実証したものと言えるだろう。

研究チームを率いるDavid Lucas教授は、「今回の実験は、ネットワーク分散型量子情報処理が現在の技術で実現可能であることを示すものです」と述べている。その上で、「量子コンピュータのスケーラビリティ向上は、今後も物理学の深い洞察と集中的な工学的努力を必要とする技術的な挑戦であり続けるでしょう」と指摘している。

今回の成果は、現在の技術でネットワーク分散型量子情報処理が実現可能であることを示している。しかし、量子コンピュータのスケールアップは依然として困難な技術的課題であり、今後数年間で新たな物理学的洞察と集中的な工学的努力が必要となる。

研究チームは、この革新的な技術をさらに発展させ、モジュール間のフォトニックリンクの戦略的なアップグレードや交換を可能にすることで、システム全体の性能を向上させることを目指している。