マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、量子ビットのコヒーレンスにおいて10秒という新たな記録を樹立しました。Nature誌に掲載されたこの研究は、先週発表されたばかりの輝かしい成果である量子コヒーレンスのこれまでの記録を倍増させるものです。この新記録は、フェルミオンとも呼ばれる振動する原子対に基づく新しい形態の量子ビットの発見を基盤としています。そして、多くの興味深く革新的な科学研究と同様に、この研究とその成果は偶然の発見から始まりました。
研究チームは、フェルミオン（本質的には奇数の半整数スピンを持つ原子）の挙動を調べることに焦点を当てました。彼らは、これらの粒子がカリウム40原子と対になったときの挙動を調べることを計画しました。この研究において、研究者たちはフェルミオンを100ナノケルビン（-273℃）まで冷却しました。これは通常、粒子に量子特性をもたらす温度であり、世界で最も強力な量子システムのいくつかで使用されています。次に、レーザーシステムを用いて光格子を生成し、原子を捕捉することで、ある程度まで観測可能な状態にしました。
フェルミオンは格子の観測領域内外を周期的に揺らぎ、まるで振り子のように揺れ動いていた。これは、フェルミオンが観測可能な量子状態と観測不可能な量子状態の間を振動していることを示している。
「実験物理学では、明るい信号が出たと思ったら、次の瞬間に暗転して二度と戻ってこない、ということがよくあります」と、MITのトーマス・A・フランク物理学教授、マーティン・ツヴィアライン氏は述べた。「今回の場合は、信号は一旦暗くなり、その後再び明るくなり、それが繰り返されています。この振動は、時間とともに変化するコヒーレントな重ね合わせ状態を示しています。まさに喜ばしい瞬間でした。」
物理学者たちは、フェルミオン対が2つの振動状態の重ね合わせ状態を維持していることを確認した。言い換えれば、フェルミオン対は同時に互いに反発しながらも、同時に振動していた。フェルミオン対は144Hzという周波数で振動していたが、これは人間の耳には低いハム音として聞こえる。そして、磁場を印加し、変化させることで、この重ね合わせ状態と相互作用することに成功した。
「相互作用しない二つの振り子から始めるようなものです」とツヴィアライン氏は述べた。「磁場をかけることで、二つの振り子の間にバネを作り、そのバネの強さを変化させることで、振り子をゆっくりと押し広げることができるのです。」
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フェルミオン量子ビットの10秒というコヒーレンス時間は、これまで見られなかった量子ビットペアの堅牢性を示すものであり、研究者を驚かせました。10秒は高度なコンピューティングシステムにとっては非常に長い時間であり、量子コンピューティングのような確率論的システムではなおさらです。現時点では、フェルミオン量子ビットの相互作用はまだ実現されていません。これは、実際に有用な量子コンピューティングを実行するために必要なステップです。しかし、研究チームはこれが可能であると信じており、実現すれば、現在の設計でその時間内に約1万回の量子コンピューティングが可能になるはずです。
1万回の量子計算という推定値は、研究者らが一度に約400個のフェルミオン対を同時に操作できる能力に基づいており、スケールアップの余地は十分にあると考えられる。しかしまずは、フェルミオン対を個別に制御する方法を見つけなければならない。これが実現すれば、フェルミオン対を量子計算ユニット（キュービット）として動作させることができるようになる。研究者らは既にこの問題の解決に近づいているように見える。しかし、もう一つ、より深刻な問題が発生する。それは、キュービット対が他のキュービットと通信できる必要があるということだ。この情報交換、そしてキュービットゲートの形成こそが、量子回路（あるいは量子演算）の実現を可能にするのだ。
しかし、科学者たちは自信を持っており、明確な前進の道筋があると述べている。これは、科学界が既に発見してきた、極小の意志を人間の創意工夫の力に屈服させる無数の方法の一つに過ぎない。もしかしたら、これらの進歩は、予想よりも早くビットコインの暗号解読に利用されるかもしれない。
Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。
