この記事は クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づきThe Conversation から転載されました。
マイクロソフトの研究者らは、物質の特殊な状態で情報を保存するデバイスで初の「トポロジカル量子ビット」を作成したと発表した。これは量子コンピューティングにとって大きな進歩となる可能性がある。
同時に、研究者たちはネイチャー誌に論文と今後の研究に向けた「ロードマップ」を発表しました。マヨラナ1プロセッサの設計は最大100万量子ビットを収容できるとされており、暗号解読や新薬・新素材の迅速な開発など、量子コンピューティングの多くの重要な目標を実現するのに十分な能力となる可能性があります。
マイクロソフトの主張が実現すれば、同社は現在量子コンピュータの開発競争をリードしていると思われるIBMやグーグルなどの競合他社を追い抜くことになるかもしれない。
しかし、査読済みのNature論文は研究者の主張の一部しか示しておらず、ロードマップには依然として克服すべき多くのハードルが残されています。マイクロソフトのプレスリリースでは量子コンピューティングハードウェアと思われるものが披露されていますが、それが実際に何ができるのかについては、独立した確認が得られていません。それでも、マイクロソフトからの発表は非常に有望です。
ここまで読んで、いくつか疑問に思われた方もいるかもしれません。トポロジカル量子ビットとは何でしょうか？そもそも量子ビットとは何でしょうか？そもそも、なぜ人々は量子コンピューターを求めるのでしょうか？
量子ビットの構築は難しい
量子コンピュータは1980年代に初めて構想されました。通常のコンピュータが情報をビット単位で保存するのに対し、量子コンピュータは情報を量子ビット、つまりキュービット単位で保存します。
通常のビットは0か1の値を持ちますが、量子ビットは（非常に小さな粒子を支配する量子力学の法則のおかげで）両方の値を持つことができます。通常のビットを上下どちらかを指す矢印と想像すると、量子ビットはあらゆる方向を指す矢印（つまり上下の「重ね合わせ」）です。
これは、量子コンピュータが、特定の種類の計算、特にコードの解析や自然システムのシミュレーションに関連する計算においては、通常のコンピュータよりもはるかに高速になることを意味します。
ここまでは順調です。しかし、実際の量子ビットを構築し、そこに情報を出し入れするのは非常に困難であることが判明しました。外界との相互作用によって、内部の繊細な量子状態が破壊される可能性があるからです。
研究者たちは、電場に閉じ込められた原子や超伝導体内で渦巻く電流の渦などを利用して、量子ビットを作成するためにさまざまな技術を試みてきました。
極小ワイヤーとエキゾチック粒子
マイクロソフトは「トポロジカル量子ビット」の構築に、これまでとは全く異なるアプローチを採用しました。同社は、1937年にイタリアの物理学者エットーレ・マヨラナによって初めて理論化された「マヨラナ粒子」と呼ばれる粒子を採用しました。
マヨラナ粒子は、電子や陽子のように自然界に存在する粒子ではありません。トポロジカル超伝導体と呼ばれる希少な物質（高度な材料設計と極低温への冷却が必要）の中にのみ存在します。
Majorana 1 プロセッサに関する Microsoft の解説。
実際、マヨラナ粒子は非常に珍しいため、通常は大学でのみ研究され、実際の応用には使用されていません。
マイクロソフトの研究チームは、両端にマヨラナ粒子を閉じ込めた一対の極細線を量子ビットとして用いたと述べている。量子ビットの値（一方の線に電子があるかどうかで表す）は、マイクロ波を用いて測定される。
編み込みビット
マイクロソフトがこれほどの努力を注いだのはなぜでしょうか？それは、マヨラナ粒子の位置を入れ替える（あるいは特定の方法で測定する）ことで、粒子を「編み込む」ことができ、誤差なく測定でき、外部からの干渉にも耐性を持つようになるからです。（これが「トポロジカル量子ビット」の「トポロジカル」な部分です。）
理論上、マヨラナ粒子を使用して作られた量子コンピュータは、他の設計を悩ませる量子ビットエラーがまったく発生しない可能性があります。
だからこそ、マイクロソフトは一見手間のかかるアプローチを選択したのです。他の技術はエラーが発生しやすく、信頼性の高い単一の「論理量子ビット」を生成するには、数百個の物理量子ビットを組み合わせる必要があるかもしれません。
マイクロソフトは、マヨラナ量子ビットの開発に時間とリソースを投入してきました。同社は量子分野では出遅れていますが、早期に追いつきたいと考えています。
常に落とし穴がある
いつものことだが、良すぎる話には落とし穴がある。マイクロソフトが発表したようなマヨラナ量子コンピュータでさえ、Tゲートと呼ばれる演算はエラーなく実行できない。
したがって、マヨラナベースの量子チップは「ほぼエラーフリー」というに過ぎません。しかし、Tゲートエラーの修正は、他の量子プラットフォームの一般的なエラー修正よりもはるかに簡単です。
Microsoft は、さらに多くの量子ビットをグループ化することで規模を拡大することを計画しています。
写真: マイクロソフト次は何をするのでしょうか？マイクロソフトはロードマップに沿って前進し、着実に大規模な量子ビットのコレクションを構築していきます。
科学界は、マイクロソフトの量子コンピューティング プロセッサがどのように動作するのか、また、すでに確立されている他の量子コンピューティング プロセッサと比較してどのようなパフォーマンスを発揮するのかを注視するでしょう。
同時に、世界中の大学でマヨラナ粒子の奇妙で謎めいた挙動に関する研究が続けられるだろう。
