
研究者らは、以前の方法よりも劇的に安定した新しいタイプの「量子操作」を作成しました。この成果により、ハードウェア設計、特に中性原子量子ビットが有用な量子コンピューターの実現に一歩近づきます。
彼らは量子コンピューターを使用しています 量子ビット これは、0、1、または両方の重ね合わせの状態で存在できます。その処理能力の鍵となるのは、それらの状態間で量子ビットをシャッフルして並列計算を実行できる「ゲート」です。重要なタイプのゲートは交換ゲートと呼ばれ、2 つの量子ビットの状態を交換することによってマシンを介して情報をルーティングできるようになります。
多くの量子システムは、高度に励起された電子状態や原子間の衝突に依存しています。 トンネル効果古典的な物理学によれば、粒子は乗り越えることができない障害物の上を滑ります。ただし、これらの技術(特にトンネリング)を使用した交換ゲートは、量子ビットを形成するために中性荷電原子を所定の位置に浮遊させるレーザーをどれだけ速くオンにすることができるか、そしてどれだけ強力であるかに左右されます。
これは、レーザーのタイミングや強度の小さな変動がシステムにエラーや忠実度の欠如をもたらし、ゲートの信頼性を低下させる可能性があることを意味します。
これは、科学者が量子コンピューティングをスケールアップして、より強力なものにすることを妨げる主なボトルネックとなっています。 世界最速のスーパーコンピューター: 量子ビットは、計算中のエラーや破損の影響を非常に受けやすいです。このレートは、従来の 1 兆分の 1 ビットと比較して、約 1,000 分の 1 です。
この問題を解決するために、チューリッヒ工科大学の科学者たちは、中性原子量子コンピューターの量子ビットをこれまでよりもはるかに安定させる方法を考案しました。彼らは、4月8日にジャーナルに掲載された研究でその発見を強調した 自然。
より安定した量子コンピューターへのゲートウェイを開く
従来のゲートに依存する代わりに、チームは幾何学的なフェージングと呼ばれるより微妙な物理的効果を使用しました。原子の速度と硬さに依存する中性原子や捕捉粒子の量子ゲートを実装する他の方法とは異なり、その交換ゲートは、レーザー光線を交差させることによって構築された人工の「光の結晶」(光格子と呼ばれる)を原子が通過する経路を利用します。
中性原子プラットフォームは、単一のデバイスで数千の量子ビットを約束します。このセットアップでは、冷却されて閉じる数万個のカリウム原子が使用されます。 絶対零度 そしてレーザー光によって所定の位置に固定されます。 ヤン・ヘンドリック・キーファーETHチューリッヒ量子エレクトロニクス研究所の博士研究員であり、この研究の筆頭著者である彼は、これがどのように機能するのかをLive Scienceに語った。
「レーザー光は単色の電磁放射にすぎません」とキーファー氏は電子メールで述べた。 「この電場の中に中性原子を置くと、双極子モーメントが誘発され、原子を所定の位置に保持できる力が生じます。」
このような 2 つのカリウム原子が量子波が重なり合うほど十分に近づくと、それらの結合状態は、その移動速度やレーザーの強度ではなく、その運動の幾何学的形状のみに依存して変化します。これにより、スワップ操作が実験的なノイズの影響を受けにくくなります。
」量子力学 キーファー氏は、「波動関数によって記述される。この波動関数を操作すると、一般に波動関数に位相が導入されるが、その位相はもともと動的または幾何学的なものになり得る」と語った。
「実用規模の量子コンピューティングには依然として大幅な進歩が必要です。」
Yann Hendrick Kiefer、チューリッヒ工科大学量子エレクトロニクス研究所博士研究員
動的量子手法は、エネルギー レベル、タイミング、レーザー強度などの非常に正確な制御に基づいてこのフェーズを作成します。つまり、小さなエラーでもエラーが発生する可能性があります。幾何学的アプローチは異なる方法で機能します。正確な時間や力に依存するのではなく、主にシステムが開始から終了までたどる一般的な経路に依存します。このため、当然のことながら、外部の擾乱や小さな不完全さの影響を受けにくくなり、これらの量子操作がより安定して信頼できるものになります。
私たちが思っていたよりもはるかに少ない量子ビットを必要とするマシンを構築する
この方法を使用して、研究チームは、17,000 量子ビットペアという驚異的な数のシステムにおいて 1 ミリ秒 (1,000 分の 1 秒) 未満で動作する、99.91% 以上の精度を持つ非常に堅牢なスワップ ゲートを達成しました。一部の超伝導ゲートまたはトラップされたイオン ゲートはサブマイクロ秒 (100 万分の 1 秒) である可能性がありますが、そのようなシステムは通常、そのようなゲートを一度に数個の量子ビット ペアで実行します。
研究チームはまた、実際の量子アルゴリズムを実行するための鍵となる「セミスワップ」ゲートを作成できたことも示した。 半交換ドア — 2 量子ビットを完全ではなく部分的にのみ交換する量子操作 — 量子もつれは量子コンピューティングの特別な要素であるため、これらは不可欠です。フル スワップは主に情報を移動するだけですが、ハーフ スワップでは情報を部分的に交換し、古典的なビットでは得られない量子ビット間の相関関係を作成することができます。科学者たちは、最終的にはこれらの強力な交換を 1 つの交換と組み合わせたいと考えています。 量子ガス顕微鏡 – 個々の原子のペアをイメージしてターゲットにすることができ、より柔軟でプログラム可能な量子コンピューティング アーキテクチャを構築できます。
そうは言っても、キーファー氏は、実用的な量子コンピューターの実現にはまだ遠いことを認めています。 「実用規模の量子コンピューティングには依然として大幅な進歩が必要だ」と同氏は述べた。 「最も制限的な要因は 2 つです。スケールと忠実度です。」
しかし、キーファー氏は依然として楽観的だ。彼は、ショールのアルゴリズムのような複雑な問題を、いつか私たちが 1 つのツールでどのように解決できるかを探った最近の研究を引用しました。 10,000量子ビットのみを使用するシステムかつて私たちが必要だと考えていた数百万の代わりに。
ショールのアルゴリズムは、古典的なコンピューターよりも速く、大きな数の素数の秘密の成分を見つけることによって、特定の種類の最新の暗号化を迅速に解読できる量子レシピであり、今でも量子コンピューティング研究で広く使用されているベンチマークです。
「ショールのアルゴリズムを実際に解く前に、やるべきことはたくさんあります。しかし、私たちは量子コンピューティングの夢がゆっくりと現実になる可能性のある段階に入りつつあります。素晴らしい時代です!」とキーファー氏は語った。
Kiefer, Y.、Zhu, Z.、Fischer, L.、Jele, S.、Gächter, M.、Bisson, G.、Viebahn, K. および Esslinger, T. (2026)。動的光ネットワークで量子ビットダブロンを使用して量子ゲートを保護します。 自然、 652(8110)、609–614。 https://doi.org/10.1038/s41586-026-10285-1
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