初の分散量子アルゴリズムにより、量子スーパーコンピュータが近づく

May, 16, 2025, Belfast--量子コンピューティングの大規模実用化に明らかに近づく画期的な出来事として、オックスフォード大学物理学部の科学者たちは、分散型量子コンピューティングの研究成果を初めて実証した。フォトニックネットワークインタフェースを使用して、2つの別々の量子プロセッサをリンクして1つの完全に接続された量子コンピュータを形成することに成功し、これまで手の届かなかった計算の課題に取り組む道を開いた。この成果は、Nature誌に掲載された。

この画期的な成果は、量子コンピュータの「スケーラビリティ問題」、つまり、業界を混乱させるほど強力な量子コンピュータは、数百万の量子ビットを処理できなければならないという問題に対処するものである。しかし、これらすべてのプロセッサを 1つのデバイスに詰め込むには、巨大なマシンが必要になる。この新しいアプローチでは、小型の量子デバイスを相互に接続することで、計算をネットワーク全体に分散させることができる。理論的には、ネットワーク内に配置できるプロセッサの数に制限はない。

スケーラブルなアーキテクチャは、それぞれが少数のイオントラップ量子ビット (量子情報の原子スケールのキャリア) のみを含むモジュールに基づいている。これらは光ファイバを使用して接続され、電気信号ではなく光(フォトン)を使用してデータを伝送する。これらのフォトニックリンクにより、別々のモジュール内の量子ビットをエンタングルさせることができ、量子テレポーテーションを使用してモジュール間で量子ロジックを実行することができる。

量子テレポーテーションはこれまでも達成されてきたが、この研究は、ネットワークリンクを介した論理ゲート(アルゴリズムの最小コンポーネント)の量子テレポーテーションを初めて実証した。研究者によると、これは将来の「量子インターネット」の基礎を築く可能性があり、遠く離れたプロセッサが通信、計算、センシングのための極めて安全なネットワークを形成できる可能性がある。

研究リーダー、Dougal Main(物理学科)は、「これまでの量子テレポーテーションの実証は、物理的に分離されたシステム間での量子状態の転送に焦点を当てていた。われわれの研究では、量子テレポーテーションを使用して、これらの離れたシステム間の相互作用を作成する。これらの相互作用を慎重に調整することで、別々の量子コンピュータに格納された量子ビット間で論理的な量子ゲート (量子コンピューティングの基本的な操作) を実行できる。この画期的な進歩により、異なる量子プロセッサを効果的に「接続」して、完全に接続された単一の量子コンピュータに統合することができる。

この概念は、従来のスーパーコンピュータの仕組みと似ている。これらは、各ユニットの能力よりも優れた機能を実現するために、互いに接続された小型のコンピュータで構成されている。この戦略は、ますます多くの量子ビットを1つのデバイスに詰め込むことに伴う多くのエンジニアリング上の障害を回避しながら、正確で堅牢な計算に必要な繊細な量子特性を維持する。

研究者たちは、Groverの探索アルゴリズムを実行することにより、この方法の有効性を実証した。この量子法は、通常のコンピュータよりもはるかに高速に大規模な非構造化データセット内の特定のアイテムを検索し、重ね合わせとエンタングルメントの量子現象を使用して多くの可能性を並行して探索する。この実証の成功は、分散型アプローチが量子機能を1つのデバイスの限界を超えて拡張できることを強調しており、今日のスーパーコンピュータが解決するのに何年もかかる計算を数時間で実行するのに十分なほど強力なスケーラブルで高性能な量子コンピュータの舞台を整える。

研究チームの主任研究者で、物理学部が率いる英国量子コンピューティングおよびシミュレーションハブの主任科学者David Lucas教授は、「われわれの実験は、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している。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の洞察と集中的なエンジニアリング努力が必要になる可能性がある」と述べている。

研究成果「Distributed Quantum Computing across an Optical Network Link」が、Nature に掲載された。