試行錯誤の真っ只中！量子コンピューターの実現方式の違い

量子コンピューターは、量子力学の原理を利用して情報を処理する新しい種類のコンピューターです。従来のコンピューター（古典的なコンピューター）がビットという基本的な単位を用いて情報を扱うのに対し、量子コンピューターは量子ビットと呼ばれる新しい情報の単位を使用します。

今回の記事では、量子コンピューターの実現方式の概要と開発の動向について紹介します。量子コンピューターを実現するには、さまざまな技術や方式が存在します。それぞれの方式は量子ビットの物理的な実現方法によって異なり、それぞれに利点と欠点があります。それを具体的に見ていきましょう。

なお、リープリーパーでは、全くのビギナーから研究職まで、いろいろな人に向けた量子コンピューターの記事を掲載しているので、この記事に併せてご覧ください。

脅威？安全？量子コンピューターで暗号が一瞬で解けるのか？ 高速計算が可能な量子コンピューターを使えば、現在主流のRSA暗号も一瞬で破られてしまうのでしょうか？画期的な計算方法「ショアのアルゴリズム」の影響や、次世代の量子暗号の可能性は？暗号技術の面から量子コンピューターについて考えてみました。

量子コンピュータービギナーの私のオススメYouTube 3本 話題の量子コンピューターについて、全く知らない素人なりに参考になったYouTubeビデオを紹介します。専門的過ぎたり、エンタメ寄りな中から、初めて腑に落ちたり興味を刺激された3本でした。難解なテーマだけに、信頼できるリソースが重要です。

超電導方式

超電導方式は、量子コンピューターの実現方式として最も知られている方式の一つです。GoogleやIBMなどの大手企業がこの方式を使って、量子コンピューターの開発を進めています。日本でも、理化学研究所が超電導方式の64量子ビット量子コンピューターを開発し、ニュースになりました。

外部リンク

量子コンピュータを利用できる「量子計算クラウドサービス」開始

理研らの共同研究グループは、2023年3月27日に量子コンピュータをクラウド公開し、外部からの利用を開始します。

URLhttps://www.riken.jp/pr/news/2023/20230324_1/index.html

超電導方式では、電流が抵抗なしに流れる超電導体を使用して量子ビットを作り出します。メリットは、操作と読み出しが比較的高速なことです。一方デメリットは、超低温環境が必要なことと、デコヒーレンス（量子状態の崩れ）が比較的早く起こることです。

イオントラップ方式

イオントラップ方式は、レーザーを使ってイオン（電荷を帯びた原子）を制御し、量子ビットを作り出します。イオンの量子状態は非常に安定しているため、この方式の量子コンピューターは長時間作動させることができます。また、高精度のゲート操作が可能です。しかし、イオンを制御する技術は比較的複雑で、スケールアップが難しいという課題があります。アメリカのQuantinuumやIonQなどが開発を進めています。

光方式

光方式は、光子（光の粒子）を量子ビットとして利用します。光子は電磁波の一部であり、光ファイバーを通じて長距離を送信することが可能です。そのため、光子を利用した量子コンピューターは、量子通信や分散量子計算に適しています。また、超電導方式やイオントラップ方式のような低温環境は必要ありません。しかし、光子を精密に制御するための技術はまだ発展途上にあります。東京大学大学院の武田俊太郎准教授の研究室や、カナダのXanadu、アメリカのPsiQuantumなどが開発を進めています。

半導体方式

半導体方式は、半導体の中にある電子スピンを量子ビットとして使用します。製造技術として、現在のマイクロエレクトロニクスの技術を流用できると言われています。ただし、短いコヒーレンス時間と、周囲の電子との相互作用によるノイズが問題となっています。アメリカのIntelや日立製作所、理化学研究所などが開発を進めています。

外部リンク

シリコン量子ビットで高精度なユニバーサル操作を実現

理研らは、シリコン量子ドットデバイス中の電子スピンを用いて、高精度なユニバーサル操作を実証しました。

URLhttps://www.riken.jp/press/2022/20220120_1//

冷却原子方式

冷却原子のアプローチは、超低温に冷却した原子をレーザーで操作し、量子状態を作り出すものです。これらの原子は光学的なトラップ、つまりレーザーによって作り出される特殊な構造に保持されます。このアプローチの主な利点は、冷却原子が他の物理的な要素から孤立しているため、外部からのノイズに非常に強いということです。しかし、大規模なスケーリングと、精密な操作が難しく、また操作速度が比較的遅いことが課題です。自然科学研究機構分子科学研究所のチームや、アメリカのAtom ComputingやフランスのPasqalが開発を進めています。

外部リンク

単一原子レベルで世界最速の２量子ビットゲートに成功 − 超高速量子コンピュータ実現へのブレークスルー −（大森賢治グループ）【記者会見動画付き】 - お知らせ | 分子科学研究所

URLhttps://www.ims.ac.jp/news/2022/08/0809.html

トポロジカル方式

トポロジカル方式は、非可換エニオン粒子を利用してトポロジカル量子ビットを作り出します。

外部リンク

量子コンピューターのワイルドカードとなる粒子を解明｜記者発表｜お知らせ｜東京大学大学院新領域創成科学研究科

量子コンピューターのワイルドカードとなる粒子を解明｜記者発表｜お知らせ｜「学融合」を通じて新しい学問領域の創出を目指す大...

URLhttps://www.k.u-tokyo.ac.jp/information/category/press/8634.html

この方式の特徴は、量子ビットが非常に安定していて、環境ノイズに対する耐性が高いことです。ただし、トポロジカル量子ビットを用いた量子コンピューターの開発は、技術的に非常に困難であり、まだ初期段階にあると言えます。企業だとアメリカのMicrosoftなどが開発を進めています。

外部リンク

Azure Quantum が歴史的なマイルストーンを達成-スケーラブルなトポロジカルキュービットの構築に必要となる、これまで定義が困難だった物理特性を実証 - News Center Japan

マイクロソフトの Azure Quantum プログラムが、量子特性を作り出すことが可能なデバイスを開発しました。その特...

URLhttps://news.microsoft.com/ja-jp/features/220325-azure-quantum-majorana-topological-qubit/

（番外編）量子アニーリング方式

ここまでは、汎用的な問題を解くための量子コンピューターに関する実現方式を紹介してきました。最後に紹介する量子アニーリング方式は、特定の種類の最適化問題（イジングモデル）を解くための量子コンピューターです。量子アニーリングは、量子力学の特性を利用して、問題の解空間を効率的に探索します。D-Wave Systemsというカナダの企業が、商用の量子アニーリングマシンを開発しています。日本でも東北大学に実機が設置されています。

詳しい解説は以下の記事をご覧ください。

イジングモデル型量子コンピューター1：量子と量子力学とは 最適化問題に特化した量子コンピューターが、「イジングモデル型」です。この記事ではまず、量子と量子力学の基本を説明します。原子よりも小さい量子の世界では、同時に2つ以上の状態を取る不思議な現象が起きます。量子力学の基本を見てみましょう。

イジングモデル型量子コンピューター2：スピンとエネルギー 量子コンピューターには、汎用の「ゲート型」と、最適化問題に特化した「イジングモデル型」とがあります。ここでは、イジングモデル型について、3次元回転する「スピン」という量子の性質とエネルギーとの関係、「量子アニーリング」などを解説しています。

なぜ、量子コンピューターにはさまざまな実現方式が存在するのか？

このように、量子コンピューターにはいろいろな実現方式があります。それは、なぜでしょうか？

その理由は、どの方式がベストなのか、まだ分からないからです。量子コンピューターの設計と構築は、非常に複雑で困難な課題で、それを達成するための「最善の」方法はまだ見つかっていません。そのため、多くの研究者や企業がさまざまなアプローチを探求しています。

具体的には、量子コンピューターの実現には以下のような課題があります。

物理的な課題

量子コンピューターは、量子状態の重ね合わせと量子もつれ（エンタングルメント）という、通常の古典的なコンピューターとは全く異なる物理的性質を利用します。これらの性質を維持し、制御するためには、非常に精密な操作と、環境のノイズからの保護が必要です。

技術的な制限

量子ビットを物理的に実現する方法は多数存在し、それぞれに利点と欠点があります。例えば、特定の方法では、低温環境が必要で、これは独自の技術的な挑戦が必要です。また、一部の技術は、単一の量子ビットを非常に精密に操作できますが、多数の量子ビットを組み合わせてスケールアップするのが困難な場合があります。

どれが正解かはわからない、総当たりの模索は続く

今回紹介したように、量子コンピューターを実現するにはさまざまな方式が存在します。それぞれに独自の利点と課題があり、どの方式が最も有望かは、現時点ではまだ明らかになっていません。これらの技術は全て進行中の研究であり、未来の量子コンピューターの形状を決定するための競争ともいえる状況にあります。量子コンピューターの可能性を最大限に引き出すための、最善の道筋はまだ見つかっていません。しかし、それぞれのアプローチが新たな発見と革新を引き出すことで、その答えに近づいていくことでしょう。

理人

博多在住の研究員兼博士課程学生

エンジニアになるつもりで入社しましたが気づいたら研究をしていました。数学が専門ですが、研究はバイオ系です。ときどき採用面接をしたりします。オタクなので月に１度は遠征に出かけます。
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