新しい量子コンピューティングアーキテクチャで重要なマイルストーン

October, 31, 2023, Lemont--Argonneとパートナーは、単電子qubitをベースにした量子コンピューティングに向けた大きなマイルストーンを達成した:コヒーレンス時間が約1000倍に増加し、スケールアップの最初の実証である。

コヒレンスは、ライティング、スピーキング、情報処理のいずれにおいても、効果的なコミュニケーションの柱となる。この原理は、量子コンピューティングの構成要素である量子ビット(qubits)にまで及ぶ。量子コンピュータは、いずれ、気候予測、材料設計、創薬など、これまで克服できなかった課題に取り組む可能性がある。

米国エネルギー省(DOE)のアルゴンヌ国立研究所が率いるチームは、将来の量子コンピューティングに向けた大きなマイルストーンを達成した。チームは、新しいタイプのqubitのコヒーレンス時間を0.1ミリ秒という驚異的な時間に延長し、以前の記録のほぼ1000倍も向上させた。

“従来の電子電荷qubitsのコヒーレンス時間で10〜100回の演算を行うのではなく、われわれのqubitsは非常に高い精度と速度で10,000回の実行が可能である」 — ノートルダム大学教授、アルゴンヌ大学ナノスケール材料センタ共同任命者、Dafei Jinは、コメントしている。

日常生活では、0.1ミリ秒は瞬きと同じくらい一瞬である。しかし、量子の世界では、qubitが何千もの演算を実行するのに十分な長さのウィンドウを表す。

従来のビットとは異なり、qubitsは、見かけ上、 0 と 1 の両方の状態で存在できる。動作するqubitでは、この混合状態を十分に長いコヒーレンス時間にわたって維持することが不可欠である。課題は、周囲の環境からの破壊的なノイズの絶え間ない集中砲火からqubitを保護すること。

研究チームのqubitsは、電子の運動(電荷)状態における量子情報をエンコードしている。そのため、電荷qubitsと呼ばれる。

“既存のさまざまなqubitsの中でも、電子電荷qubitsは、製造と操作が簡単で、古典コンピュータの既存インフラストラクチャとの互換性があるため、特に魅力的である」と、アルゴンヌ大学の共同任命を受け、プロジェクト主任研究者、ノートルダム大学の教授Dafei Jin氏は話している。「このシンプルさは、大規模な量子コンピュータの構築と運用における低コストにつながるはずである」

同氏は、アルゴンヌにあるDOE科学局のユーザ施設、ナノスケール材料センタ(CNM)の元スタッフサイエンティスト。そこでは、昨年報告された新しいタイプの量子ビットの発見を主導した。

研究チームのqubitは、真空中の超クリーンな固体ネオン表面に閉じ込められた単一電子。ネオンは、周囲の環境からの妨害に抵抗するため重要である。ネオンは、他の元素と反応しない数少ない元素の1つ。ネオンプラットフォームは、電子qubitを保護し、長いコヒーレンス時間を本質的に保証する。

“固体ネオン上の単一電子のフットプリントが小さいため、それらで作られたqubitsはよりコンパクトで、複数のリンクされたqubitsへのスケールアップが有望である」と、シカゴ大学Pritzker School of Molecular Engineering大学院の共同任命でCNMのアシスタントサイエンティストXu Han氏は話している。
「これらの特性は、コヒーレンス時間とともに、われわれの電子qubitを非常に魅力的なものにしていまる」

実験的な最適化を続けた結果、チームはネオン表面の品質を向上させただけでなく、破壊的な信号も大幅に低減した。Nature Physics誌に報告されているように、チームの研究は0.1ミリ秒のコヒーレンス時間で効果を生んだ。これは、最初の 0.1 マイクロ秒から約1000倍の増加である。

“電子量子ビットの寿命が長いため、単一の量子ビットの状態を非常に高い忠実度で制御し、読み出すことができる」(Xinhao Li)。この時間は、量子コンピューティングの要件をはるかに上回っている。

“従来の電子電荷qubitsのコヒーレンス時間で10〜100回の演算を行うのではなく、われわれのqubitsは非常に高い精度と速度で10,000回の実行が可能だ」(Jin)。

qubitsのもう一つの重要な特性は、他の多くのqubitsとリンクできるスケーラビリティである。研究チームは、2つの電子qubitsが同じ超伝導回路に結合し、回路を介して2つの超伝導回路間で情報を伝達できることを示し、重要なマイルストーンを達成した。これは、量子コンピューティングの重要な側面である2-qubitエンタングルメントに向けた極めて重要な一歩を示している。

研究チームは、電子qubitをまだ完全に最適化しておらず、コヒーレンス時間をさらに延長し、2つ以上の量子ビットをもつれさせる作業を続ける予定である。