新しい量子冷蔵庫は問題のあるノイズから恩恵を受ける

February, 10, 2026, 東京--量子コンピュータが機能するためには、極低温度に保たなければならない。しかし、現代の冷却システムは、保護すべき脆弱な量子情報に干渉するノイズも発生している。現在、スウェーデンのチャルマーズ工科大学(Chalmers University of Technology)の研究チームは、ノイズ自体によって部分的に駆動される全く新しいタイプの量子冷蔵庫を開発した。この冷蔵庫は熱とエネルギーの流れを非常に精密に制御でき、量子技術のスケールアップに重要な役割を果たす可能性がある。

量子技術は、医薬品開発や人工知能から物流、安全な通信に至るまで、社会の複数の基礎技術を変革すると期待されている。しかし、量子技術が実用化される前に、様々な大きな技術的課題が残っている。その中でも最も重要なのは、この技術が依存する繊細な量子状態を保護・制御することである。

超伝導回路に基づく量子コンピュータが動作するためには、極めて低温、すなわち絶対零度に近い(約-273℃)まで冷却されなければならない。この温度では系は超伝導性を持ち、電子は抵抗なく自由に動くことができる。これらの条件下でのみ、量子コンピュータの基本情報単位である量子ビット(qubits)に望ましい量子状態が現れる。

しかし、これらの量子状態は脆弱である。わずかな温度変動、電磁気の乱れ、周囲の雑音でも、システムに保存された情報を急速に破壊してしまうことがある。量子コンピュータを使って現実の問題を解決するには、スケールアップが必要になる。しかし、量子系が大きく複雑になるにつれて、熱やノイズが広がり量子状態を破壊するのを防ぐことはますます難しくなる。

「多くの量子デバイスは最終的にエネルギーの輸送と消散の仕方に制限されている。これらの経路を理解し測定できることで、熱流が予測可能で制御可能かつ有用な量子デバイスを設計できる」と、同大学の量子技術博士課程の学生、この研究の筆頭著者、Simon Sundelinは話している。

冷却にノイズを利用
Nature Communicationsに掲載された研究で、チャルマーズの研究チームは、まったく新しいタイプの量子冷蔵庫を開発した。ノイズを排除しようとするのではなく、逆説的に、ノイズそのものを冷却の推進力として利用した。

「物理学者たちは長い間、ブラウン(Brownian)冷蔵という現象について推測してきた。ランダムな熱変動を利用して冷却効果を生み出すという考え方である。われわれの研究は、この概念をこれまでで最も実現に近づけたものである」と、チャルマーズ大学の准教授、この研究の上級著者、Simone Gasparinettiはコメントしている。

冷蔵庫の中心には、チャルマーズ研究所で設計された超伝導性人工分子がある。多くの点で、自然に存在する分子のように振る舞うが、実在の原子の代わりに微細な超伝導電気回路を持っている。この人工分子を異なるマイクロ波チャネルに接続し、狭い周波数帯域にわたるランダムな信号変動という制御されたマイクロ波ノイズを導入することで、研究チームは熱とエネルギーの流れる経路を正確に制御・調整できる。

「2つのマイクロ波チャネルはホットとコールド貯蔵庫として機能するが、重要なのは、制御されたノイズを3つ目のポートから注入したときにのみ効果的に接続されるということである。この注入されたノイズが、人工分子を介して熱の伝達を促進し、貯蔵庫間の熱輸送を促進する。われわれは非常に微小な熱電流を測定できた。出力はアトワット単位、つまり10〜18ワット程度だった。もしそのような小さな熱流で一滴の水を温めたら、宇宙の温度が1度上昇するのに宇宙の年齢に相当する時間を要することになる」(Sundelin)。

今後の量子技術への新たな機会

熱浴の温度を調整し、極めて小さな熱流を測定することで、研究チームの冷蔵庫は冷蔵庫、熱機関、熱輸送増幅器など複数のモードで動作可能になる。このように高精度でエネルギーを制御・制御する能力は、量子ビットの制御と測定時に局所的に熱が発生する大規模な量子系において特に重要である。

「これは、従来の冷却システムでは到達できないスケールで量子回路内部の熱を直接制御するための重要な一歩と見なしている。この微小なスケールで熱を除去または再誘導できることは、より信頼性が高く堅牢な量子技術への扉を開く」と、チャルマーズの量子技術研究者、この研究の共著者であるAamir Aliはコメントしている。