- トポロジカル量子ビット(topological qubits)で駆動する世界初の量子プロセッサーである Majorana 1 を公開
- Microsoft は topoconductor という革新的な物質を用いて Majorana 1 を開発
- これは実用的な量子コンピューティングへ飛躍するうえで重要な転換点
- 量子コンピューターが科学と社会全体に変革をもたらすには、大規模な拡張性と量子誤り訂正の信頼性が不可欠
- 今回の発表はそれを迅速に実現するための重要な進展
- Majorana 1: トポロジカルコアを搭載した世界初の QPU。単一チップ上で最大 100 万個の量子ビットまで拡張可能
- A hardware-protected topological qubit:
- Nature 論文と Station Q ミーティングで研究成果を公開
- 小型、高速、デジタルベース制御が特徴
- 安定した量子演算のためのデバイスロードマップ:
- 単一量子ビットデバイスから始めて、量子誤り訂正が可能なアレイへ拡張していく道筋
- 世界初のフォールトトレラント・プロトタイプ(fault-tolerant prototype, FTP)の構築:
- DARPA US2QC プログラムの最終段階を通じて、数年以内に拡張可能な量子コンピューターのプロトタイプ完成を目指す
新しい種類の物質を活用
- Microsoft が topoconductor という革新的な物質を開発
- この物質はインジウムヒ素(Indium Arsenide、半導体)とアルミニウム(Aluminum、超伝導体)を結合し、トポロジカル超伝導 状態を実現
- 温度を極低温まで下げて磁場を調整すると、ナノワイヤの端に Majorana Zero Modes(MZMs) を形成できる
- 電子が対を作らない状態で分散し、量子情報を保存する特性を利用
- この構造では量子情報の読み出し方法が難しかったが、量子ドット(quantum dot) を活用して解決
- 量子ドットを通じて電荷量の変化を測定し、その反射率の変化を観測してナノワイヤの偶数/奇数(=パリティ)状態を把握
- 初期測定では約 1% の誤差率があったが、これを下げられる明確な経路が確認された
- 外部エネルギー(電磁波など)が対を壊す可能性はあるが、ミリ秒単位でまれに発生することが確認された
- 結果として、この独特な物質は量子情報保護に有利であり、それを測定する安定した方法も確立された
デジタル精度による量子制御の革新
- 測定ベースの演算方式を採用し、従来の アナログ制御 への依存度を下げる戦略
- 従来方式では各量子ビットを回転させるために複雑で精密な信号が必要
- 一方で Microsoft の測定ベース方式は、簡単な デジタルパルス によって量子状態を読み取り、演算を実行
- これにより 量子誤り訂正(QEC) の過程が単純化され、多数の量子ビットを同時に管理しやすくなる
物理から工学へ
- Microsoft は単一量子ビットデバイスである テトロン(tetron) を基盤とした拡張可能なアーキテクチャを提示
- テトロンは互いに平行な 2 本のトポロジカルワイヤと、それらを接続する超伝導構造で構成される
- 各ワイヤの両端に MZM が存在し、4 つの MZM で 1 つのテトロンを構成
- 研究チームはすでにテトロン内の単一ナノワイヤのパリティを測定し、別の量子ドットを用いた重ね合わせ実験も進めている
- 次の段階として 4×2 のテトロン配列を構成して多量子ビット環境を試験し、最終的に量子誤り訂正へつながるロードマップを策定
- トポロジカル量子ビット の内在的な保護特性と、Microsoft 独自の誤り訂正コードの組み合わせにより、必要な物理量子ビット数と動作クロックを大幅に最適化できる
DARPA が認めたアプローチ
- DARPA の Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing(US2QC) プログラムで、Microsoft は最終段階に進んだ
- これは Microsoft の トポロジカル量子ビット ベースの量子コンピューター構築計画が信頼に足ると判断された結果
- 最終段階で Microsoft は、数年以内に fault-tolerant prototype(FTP) を完成させ、実用規模の量子コンピューティングへの移行を加速する計画
- このプロトタイプが完成すれば、既存のスーパーコンピューターでは解くのが難しい問題を量子的に解決できる重要な転換点となる見込み
量子コンピューティングの潜在力を実現
- 18 か月前に Microsoft が示した 量子スーパーコンピューターロードマップ において、現在は 2 つ目のマイルストーンに到達
- 1 つ目はトポロジカル量子ビットに関する概念実証
- 2 つ目は実際のデバイスで topological qubit を実装したこと
- すでに 1 チップ上に 8 個のトポロジカル量子ビットを配置しており、このシステムは 100 万量子ビットへ拡張できる潜在力を持つ
- 大規模量子コンピューターは、新しい材料設計や分子シミュレーションなど、従来のスーパーコンピューターでは解決が難しい問題を解けると期待される
- DARPA との協業を通じて Microsoft は実用的な量子コンピューティングの実現を前倒しし、今後の進展も継続的に共有していく予定
2件のコメント
比喩的に言えば、特定の点で量子現象を観測していた従来方式ではなく、特定の線で量子現象を観測することで、エラーへの耐性が高まり、いろいろと扱いやすくなるようです。
いずれにせよ、Science の領域の問題を Engineering の領域の問題へ引き寄せたわけなので、かつてインテルが毎年2倍ずつ性能を引き上げたように、指数関数的な性能向上も期待できるのではないかと思います。
もちろん、今が量子コンピューターの ENIAC 時代なのか、インテル 386 時代なのかは、まだ未知数です。
ほかの記事では
固体・液体・気体ではない第4の形態だと言っていましたが……。物理に詳しくない私は、ただ表面的に「そういうものか」と受け止めるだけです（笑）