メリーランド大学の研究者らは、プログラム可能なイオントラップ型量子コンピュータの実現に向けて大きく前進した。



イオントラップ装置の拡大写真

提供：S. Debnath氏およびE. Edwards氏（メリーランド大学の量子合同研究所） イオントラップ装置の拡大写真提供：S. Debnath氏およびE. Edwards氏（メリーランド大学の量子合同研究所）

今回、研究者が作り上げたのは、複数のアルゴリズムを実行できる小規模な量子コンピュータだ。

このブレークスルーのキーポイントは、ソフトウェアで量子ビット、すなわち「キュービット」をプログラムできるという能力だ。これにより、単一の問題のみに特化した量子コンピュータではなく、汎用目的の量子コンピュータを実現する道が切り開かれたことになる。

メリーランド大学の量子合同研究所（Joint Quantum Institute）によると、研究者らは5キュービット分のイオンを封じ込めた装置を作成したという。また、同じ方法で100キュービット分まで拡張することが可能だという。詳細については、Natureに掲載された論文で解説されている。

デジタルコンピュータが計算処理を実行する際に用いる伝統的な1と0とは異なり、キュービットは1と0を重ね合わせた状態そのものを保持できるため、より多くの計算処理を並列して実行できる。

イオントラップと呼ばれる装置を使えば、イオン化された原子のエネルギー準位として保存されるキュービットを安定したかたちで作り出せることが実証されている。今回、科学者らはパルス光を発生するソフトウェア制御のレーザーを用いて、イオン群をさまざまな組み合わせで量子対にすることで、複数のアルゴリズムを生成できるようにした。また、各キュービットの状態を測定するために、それぞれのイオンから放出される光子を観測できるようにもした。

論文の第1著者であるShantanu Debnath氏は「キュービットの任意のペアを直接連携させることで、システムを再定義し、任意のアルゴリズムを実装できるようになる」「これはまだ5キュービット分しかないが、同じ技術を適用すれば、より多くのキュービットを実現できる」と述べている。

メリーランド大学が述べているように、あらゆる量子アルゴリズムには、まずキュービットを特定の状態に設定し、その後一連の量子論理ゲートを動作させ、最後にアルゴリズムからの出力を得るための測定を実施するというプロセスが含まれている。

この装置はイオンの初期状態を設定するために、波長が異なる複数のレーザー光を使用するとともに、量子論理ゲートを動作させるための別系統のレーザーを使用している。実際のところ、この装置の真のエンジン部分は通常のコンピュータ上で動作しているデータベースだ。このデータベースには、量子論理ゲート（スイッチやトランジスタに相当する部品）を駆動するためのレーザーパルス制御用のパターンが格納されており、量子アルゴリズムの構築を支援するようになっている。

プログラム可能な初のイオントラップ型量子コンピュータモジュールの仕組み

Debnath氏は「アルゴリズムを、適切なイオンに対する一連のレーザーパルス照射へと還元することで、これらキュービット間の関連を外部から再構成できるようになる。これによって問題をソフトウェア領域のものにできる。こういった柔軟性を有した量子コンピューティングアルゴリズムは、他では見られない」と述べている。

メリーランド大学は「レーザーをイオンに照射し、イオン内に保持されているキュービット情報に働きかけることで、モジュール内に捕捉されている任意の2つのイオンが強い電気的相互作用を通じて影響を与え合えるようにする。このようにして作り出された『量子もつれ状態』によって、2つのイオンは、あたかも運動エネルギーをやり取りし合って動き続ける「ニュートンのゆりかご」（カチカチ玉）の両端の金属球のように、電気的相互作用を介して相互に連携するようになる」と説明している。

研究者らが、量子フーリエ変換（QFT）のデモでモジュールをテストしたところ成功率は70％に達し、その他2種類のアルゴリズムのテストでも成功率は90％を超えたという。