日本の自然科学研究機構の研究グループが、堅牢で非常に高速な2量子ビットの量子ゲートを生成することに成功した。このゲートは、量子コンピューターの根強い課題である“ノイズ”を克服するのに役立つ可能性があるとのことだ。

今回実現した量子ゲートは、わずか6.5ナノ秒で動作するという。この画期的な超高速量子コンピュータは、現在開発中の超伝導型やイオントラップ型の限界を超える、全く新しいタイプの量子コンピュータとして期待されている。

冷却原子を用いた量子コンピュータ

冷却原子を用いる量子コンピュータは、1997年と2018年のノーベル賞受賞者が説明したレーザー冷却とトラップ技術に基づいている。これらの技術は、光ピンセットで冷たい原子のアレイを任意の形状に配置することを容易にし、それぞれを個別に観察することを可能にする。

原子は自然の量子系である。そのため、原子は、量子コンピュータの基本構成要素である量子ビットの情報を容易に格納することができる。また、原子は周囲の環境から隔離され、互いに独立した存在である。これによって、量子ビットのコヒーレンス時間（量子的重ね合わせが持続する時間）は数秒に達する。そして、一方の原子の電子をリュードベリ軌道と呼ばれる巨大な電子軌道に励起することで、2量子ビットゲート（量子コンピュータに不可欠な基本演算要素）が実行されるのだ。

これらの技術により、冷却された原子を用いる方法は、量子コンピュータのハードウェアとして最も有望な候補のひとつとなり、世界中の産学官から注目されている。特に、超伝導型やトラップイオン型に比べ、高いコヒーレンスを維持しながら容易にスケールアップできることから、先鋭的な可能性を秘めている。

量子ゲートとは何か

量子ビットとは、量子情報の最小単位である。現代のコンピュータ技術の基礎となる情報の基本単位である従来のビットに相当する。

従来の方法で問題を解決する場合、情報（とそれを計算するための論理）は二進法で表される。電気のスイッチのように、このシステムを構成する単位はすべて、オンかオフかの排他的な状態にある。コンピューターで良く見るように、「1」か「0」である。

量子コンピュータがより強力なのは、量子ビットが、量子重ね合わせと呼ばれる状態として、両方の状態を同時に実現できることである。量子ビットは、それ単体ではコンピュータとして機能しない。しかし、他の量子ビットの重ね合わせ状態と組み合わせる（または絡める）ことで、非常に強力なアルゴリズムを表現することができる。

量子ゲートは、量子コンピュータを構成する演算素子である。従来の古典的なコンピュータでいうところのANDやORなどの論理ゲートに相当する。

1量子ビットゲートは、1つの量子ビットの状態を操作する。2量子ビットゲートは、2つの量子ビットの間に量子もつれを発生させる。

2量子ビットゲートは、2量子ビットゲートは、効率的な量子コンピュータの基本構成要素であるため、この画期的な成果は非常に大きな意味を持つ。そして、量子コンピュータの高速性能の要であり、技術的に難易度の高いゲートである。最も重要な2量子ビットゲートは「CZゲート（Controlled-Z gate）」と呼ばれ、第2の量子ビットの状態（0または1）によって、第1の量子ビットの量子重ね合わせ状態を0 + 1から0 -1に反転させる演算である。

量子ゲートの精度（忠実度）は、外部環境や動作レーザーからのノイズによって容易に低下し、量子コンピュータの開発を困難にしている。このようなノイズの時間スケールは、一般に1マイクロ秒より遅い。

したがって、これよりも十分に高速な量子ゲートが実現できれば、ノイズによる計算精度の劣化を回避することができ、実用的な量子コンピュータの実現に大きく近づくことができる。そのため、過去20年間、量子コンピュータのハードウェア研究は、すべてゲートの高速化を追求してきた。

今回、自然科学研究機構の研究グループがで達成した6.5ナノ秒という超高速ゲートは、ノイズよりも2桁以上も速いため、ノイズの影響を無視することができる。ちなみに、これまでの世界記録は、2020年にGoogle AIが超伝導回路で達成した15ナノ秒であった。

2量子ビットゲートの動作

研究チームの実験は、ルビジウム原子を用いて行われた。まず、レーザー光を用いて、10万分の1ケルビン程度の超低温に冷却した気相中のルビジウム原子を、光ピンセットでミクロン間隔で2個並べた。

そして、1000億分の1秒だけ発光する超短レーザーパルスを照射して、その変化を観察した。すると、隣り合う2つの原子（原子1、原子2）の最小軌道（5S）にそれぞれ捕らえられていた2個の電子が、巨大な電子軌道（リュードベリ軌道、ここでは43D）にたたき落とされたのである。

この巨大な原子の相互作用により、軌道の形と電子のエネルギーが周期的に往復して、6.5ナノ秒の間、交換された。

1回の振動の後、量子物理学の法則により、波動関数の符号が反転し、2量子ビットゲート（controlled-Z gate）が実現される。この現象を利用して、5Pの電子状態を「0」、43Dの電子状態を「1」とする量子ビットを用いて、量子ゲート操作を行ったところ、5Pの電子状態を「0」、43Dの電子状態を「1」とする量子ビットが実現した。

量子ビット1、量子ビット2としてそれぞれ原子1、原子2を用意し、超短パルスレーザーを用いてエネルギー交換を行った。エネルギー交換の1サイクルの間に、量子ビット1が「1」状態のときだけ、量子ビット2の重ね合わせ状態の符号が反転することが確認された。

研究グループは、この符号反転を実験的に観測し、2量子ビットゲートを世界最速の6.5ナノ秒で動作させることができることを実証した。

研究チームによると、次のステップはかなり明確である。レーザーはノイズの原因となるため、精度を高めるために、市販のレーザーを専用のものと交換すること、そして、より優れた制御技術を導入することである。