新奇材料における磁気が堅牢な量子コンピュータへの道を開く

July, 9, 2025, Gothenburg--現在、量子コンピュータの社会への参入は、環境の乱れに対する感度によって妨げられている。スウェーデンのチャルマース工科大学(Chalmers University of Technology)、フィンランドのアールト大学(Aalto University)とヘルシンキ大学(University of Helsinki)の研究者たちは、新しいタイプの新奇な量子材料と、磁性を利用して安定性を生み出す方法を発表した。
このブレークスルーにより、量子コンピュータのレジリエンス(障害耐性)が大幅に向上し、実際に量子計算に取り組むのに十分な堅牢性を持つ道が開かれる。

原子スケールでは、物理法則はわれわれの通常の大規模世界の法則から逸脱している。そこでは、粒子は量子物理学の法則に従っているため、複数の状態で同時に存在し、古典物理学では不可能な方法で互いに影響を与えることができる。これらの特異でありながら強力な現象は、量子コンピューティングと量子コンピュータの鍵を握っており、今日の従来のスーパーコンピュータでは処理できない問題を解決する可能性を秘めている。

しかし、量子計算が実際に社会に利益をもたらす前に、物理学者は大きな課題を解決する必要がある。量子コンピュータの基本単位である量子ビット(qubit)は、非常にデリケートなものである。温度、磁場、さらには微視的な振動のわずかな変化でも、量子ビットは量子状態を失い、複雑な計算を確実に実行する能力も失う。

この問題を解決するために、近年、研究者たちは、これらのタイプの外乱やノイズに対して、その基本構造であるトポロジーにおいて、より優れた保護を提供できる材料を作成する可能性を模索し始めている。量子ビットで使用される材料の構造を通じて発生し、維持される量子状態はトポロジカル励起(topological excitations)と呼ばれ、他のものよりも大幅に安定して回復力がある。しかし、このような堅牢な量子状態を自然にサポートする材料を見つけることには、依然として課題がある。

新開発の素材が外乱から保護
今回、チャルマース工科大学、アールト大学、ヘルシンキ大学の研究チームは、堅牢なトポロジカル励起を示す量子ビット用の新しい量子材料を開発した。このブレークスルーは、安定性を材料の設計に直接組み込むことにより、実用的なトポロジカル量子コンピューティングを実現するための重要なステップである。

「これは、外部の擾乱にさらされてもその量子特性を維持できる、まったく新しいタイプの新奇な量子材料である。これは、実際に量子計算に取り組むのに十分な堅牢性を備えた量子コンピュータの開発に貢献できる」と、チャルマーズ大学の応用量子物理学のポスドク研究員であり、Physical Review Lettersに掲載された研究の筆頭著者であるGuangze Chenは説明している。

「新奇量子材料」は、極端な量子特性を持ついくつかの新しいクラスの固体の総称である。このような特殊な弾力性を持つ材料の探索は、長年の課題だった」。

磁力は新しい戦略の鍵である
従来、研究者は、電子のスピンを原子核の周りの移動軌道に結びつけてトポロジカル励起を生成する量子相互作用であるスピン軌道結合に基づく確立された「レシピ」に従ってきた。しかし、この「成分」は比較的希少であるため、この方法は限られた数の材料にしか使用できない。

この研究では、研究チームは、はるかに一般的で入手しやすい成分である磁気を使用して同じ効果を達成するまったく新しい方法を提示している。研究者たちは、磁気相互作用を利用することで、トポロジカル量子コンピューティングに必要なロバストなトポロジカル励起を設計することができた。

「われわれの方法の利点は、多くの材料に磁気が自然に存在することである。珍しいスパイスを使うのではなく、日常の食材で焼くのに例えることができる」とGuangze Chenは説明している。「これは、これまで見過ごされてきた材料を含む、はるかに幅広い材料のトポロジカル特性を探索できるようになったことを意味する。」

次世代の量子コンピュータプラットフォームへの道を開く
有用なトポロジカル特性を持つ新材料の発見を加速するために、研究チームは新しい計算ツールも開発した。このツールは、材料がトポロジカルな挙動を示す強さを直接計算できる。

「このアプローチが、より多くの新奇な材料の発見を導くのに役立つことを願っている。最終的には、これは次世代の量子コンピュータプラットフォームにつながる可能性がある。これは、現在のシステムを悩ませている種類の擾乱に対して自然に耐性のある材料に基づいて構築されてい」(Guangze Chen)。