将来の量子コンピュータでqubits増を実現するスマートアンプ

July, 7, 2025, Gothenburg--量子コンピュータは、非常に複雑な問題を解決し、医薬品開発、暗号化、AI、物流などの分野で新たな可能性を解き放つことができる。現在、スウェーデンのチャルマース工科大学(Chalmers University of Technology)の研究者は、量子ビットから情報を読み取るときにのみ作動する高効率の増幅器を開発した。
そのスマートなデザインのおかげで、現在入手可能な最高のアンプが消費する電力のわずか10分の1しか消費しない。これにより、量子ビットのデコヒーレンスが減少し、量子ビットが大幅に増え、パフォーマンスが向上した、より強力な量子コンピュータの基礎が築かれる。

従来のコンピュータの構成要素であるビットは、1または0の値しか持つことができない。これに対し、量子コンピュータの一般的な構成要素である量子ビットまたは量子ビット(qubits)は、値 1 と 0 を同時に持つ状態にも存在することも、その間のすべての状態を任意の組み合わせで存在することもできる。これは、20量子ビットの量子コンピュータが100万を超える異なる状態を同時に表現できることを意味する。この現象は重ね合わせと呼ばれ、量子コンピュータが今日の従来のスーパーコンピュータの能力を超えた非常に複雑な問題を解決できる主な理由の1つである。

アンプは不可欠だが、デコヒーレンスを引き起こす
量子コンピュータの計算能力を活用できるようにするには、量子ビットを測定し、解釈可能な情報に変換する必要があるる。このプロセスでは、これらの弱い信号を正確に検出して読み取るために、非常に感度の高いマイクロ波増幅器(アンプ)が必要になる。しかし、量子情報の読み取りは非常にデリケートな作業であり、わずかな温度変動、ノイズ、または電磁干渉でさえ、量子ビットの完全性、量子状態を失い、情報を使用できなくなる可能性がある。アンプは熱の形で出力を生成するため、デコヒーレンスも引き起こす。その結果、この分野の研究者は常に、より効率的な量子ビット増幅器を追求している。現在、Chalmersの研究者は、新しい高効率アンプで重要な一歩を踏み出した。

「これは、今日トランジスタを使用して構築できる最も感度の高いアンプである。われわれは今、その消費電力を、性能を損なうことなく、今日の最高のアンプが必要とする消費電力のわずか10分の1に削減することに成功した。このブレークスルーにより、将来、量子ビットのより正確な読み出しが可能になることを願っている」と、Chalmersのテラヘルツおよびミリ波技術の博士課程の学生、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques誌に掲載された研究の筆頭著者Yin Zengはコメントしている。

量子コンピュータのスケールアップに不可欠なブレークスルー
この進歩は、量子コンピュータをスケールアップして、現在よりもはるかに多くの量子ビットに対応する上で重要な意味を持つ可能性がある。チャルマーズは、国立研究プログラムであるWallenberg Centre for Quantum Technologyを通じて、長年にわたってこの分野に積極的に取り組んできた。量子ビットの数が増えると、コンピュータの計算能力と非常に複雑な計算を処理する能力も向上する。ただし、量子システムが大きくなると、より多くの増幅器も必要になり、全体的な消費電力が大きくなり、量子ビットのデコヒーレンスにつながる可能性がある。

「この研究は、これらの量子ビット増幅器によって生成される熱が主要な制限要因となる量子コンピュータの将来のアップスケーリングにおける解決策を提供する」と、同大学のマイクロ波エレクトロニクス教授、Yin Zengの主任監督者であるJan Grahnは話している。

必要な場合にのみアクティブ化
他の低ノイズアンプとは異なり、Chalmersの研究者が開発した新しいアンプはパルス動作式で、常にスイッチがオンになるのではなく、量子ビット増幅に必要な場合にのみアクティブになる。
「これは、パルス動作での量子読み出し用の低ノイズ半導体増幅器の最初のデモンストレーションであり、性能に影響を与えず、現在の技術水準と比較して消費電力を大幅に削減したものである」(Jan Grahn)。

量子情報はパルスで送信されるため、重要な課題の1つは、量子ビットの読み出しに追いつくのに十分な速さで増幅器が作動するようにすることだった。Chalmersチームは、アンプの動作を改善するアルゴリズムを使用してスマートアンプを設計することでこれに対処した。そのアプローチを検証するために、研究チームは、パルス動作低ノイズマイクロ波増幅器のノイズと増幅を測定するための新しい技術を開発した。

「われわれは遺伝的プログラミングを使用して、アンプのスマート制御を可能にした。その結果、入力する量子ビットパルスに対して、わずか35ナノ秒(ns)ではるかに速く応答した」とYin Zengは話している。