マイクロソフトは、ほぼ100年前の量子理論の新たな証明を示した。

量子コンピューティングは、人類が直面している最も困難な課題のいくつかを解決するのに役立つと期待されています。しかし、この新しい分野はまだ開発の初期段階にあります。現在、研究者たちは量子コンピュータの助けを借りて、いくつかの興味深い研究プロジェクトを実行することができていますが、システムの規模が不十分であるという制限があり、さらなる研究を実行することはできません。既存の量子コンピュータは多くの種類の量子ビットに依存していますが、これまでのところ、量子コンピューティングの潜在能力を最大限に引き出すのに十分な量子ビットに拡張できたものはありません。

Microsoft は、量子コンピューティングの拡張に対して、より困難ではあるが最終的にはより有望なアプローチであるトポロジカル量子ビットを採用しています。理論的には、サイズや速度を犠牲にすることなく、既存の方法よりも安定した量子ビットを生成できる可能性がある。私たちは、トポロジカル超伝導相とそれに伴うマヨラナゼロモードを生成することができ、スケーラブルな量子コンピュータの構築に向けた大きなハードルを乗り越えました。

この論文は、トポロジカル量子ビットの背後にある基礎物理学が有効であることを示す私たちの研究と手法の解説です。この研究では、30μeV のトポロジカルギャップが初めて観測され、トポロジカル量子コンピューティングの将来の可能性への基礎が築かれました。エンジニアリング上の課題は残っていますが、この発見はスケーラブルな量子コンピューターへのアプローチの基盤となり、Microsoft が Azure 上で量子マシンを作成することに大きく近づくことになります。クリックして元の記事を読み、Azure Quantum にアクセスして量子コンピューティングの使用を開始してください。

マイクロソフトの量子チームがInAsヘテロ構造で30μeVのトポロジカルギャップを観測

トポロジカル量子コンピューティングは、ハードウェアレベルのフォールトトレランスを実現する方法の 1 つであり、高忠実度の量子ビット、高速ゲート操作、単一モジュールアーキテクチャを備えた量子コンピューティングシステムの実現が期待されています。トポロジカル量子ビットの忠実度、速度、サイズは、トポロジカルギャップと呼ばれる特性エネルギーによって制御されます。この道は、物質の位相的位相を確実に生成し、量子ビットのサブコンポーネントが位相的位相内に実際に存在する（そして量子情報処理の準備ができている）ことを実験的に検証できる場合にのみ実現可能になります。これを達成するのは容易ではありません。なぜなら、トポロジカル相は基底状態で長距離エンタングルメントを特徴としており、従来の実験では簡単に調べることができないからです。

私たちのチームは1年前​​に提案しました  「トポロジカルギャッププロトコル」TGP [1]は、量子輸送測定におけるトポロジカル位相の識別基準として使用することでこの問題を解決します。トポロジカル超伝導線の両端にはマヨラナゼロモードがあり、1937 年にエットーレ・マヨラナによって構築された実フェルミオン波動方程式と同様に、線路の両端に実フェルミオン演算子が存在します。

したがって、2 つの反対のフェルミオン パリティ量子状態が存在し、これは両端に結合された位相コヒーレンス プローブによってのみ測定できます。電気測定では、マヨラナゼロモード (図 1 を参照) により、局所伝導度にゼロバイアスピーク (ZBP) が発生します。ただし、局所的なアンドレーエフの束縛状態と無秩序性もゼロバイアスのピークを示す可能性があります。したがって、TGP は安定性の高い ZBP のみに焦点を当てています。最も重要なのは、非局所伝導度を使用してバルク相転移を検出することです。この相転移は、通常の超伝導相とトポロジカル相の境界に存在するはずです。なぜなら、それらは水と氷のように、物質の 2 つの異なる相だからです。

▲トポロジカル超伝導ナノワイヤの局所状態密度、エネルギー、位置の関係。

当社では、材料のスタックアップ、形状、欠陥などの詳細を含むモデルを使用してデバイスをシミュレートします。シミュレーション実験により、TGP はデバイスのトポロジカル位相を検出するための厳密な基準であることが示されました。さらに重要なのは、転送プロトコルの条件がデバイス測定の前に設定されていることです。つまり、非局所伝導によって確立されたギャップレス境界を持つギャップ領域上のデバイスの両端に安定した ZBP が存在することです。トポロジカル位相識別に伴う微妙な違い（ローカル秩序パラメータの欠落に起因する）を考慮すると、TGP の設計原則の 1 つは確証バイアスを回避することです。特に、デバイスは、単一の ZBP など、存在が予想される機能を単に「検索」するのではなく、動作範囲全体でスキャンされます。

米国カリフォルニア州サンタバーバラの Microsoft Station Q  ここはマイクロソフトの量子プロジェクト発祥の地です。過去 16 年間、この研究所では、位相幾何学と量子コンピューティングに関する半年ごとの会議を主催してきました。 COVID-19パンデミックによる2年間の中断を経て、Station Qオフラインカンファレンスは3月上旬に再開されました。業界と学界の量子コンピューティングのリーダーらが出席したこの会議で、マイクロソフトはTGPを通過できる複数のデバイスを開発したと発表した。

私たちのチームは30μeVを超えるトポロジカルギャップを測定しました。これは実験で観測されたノイズレベルの 3 倍以上であり、温度も同様に桁違いに高くなります。これは画期的な科学的進歩であり、トポロジカル量子コンピューティングへの道のりにおける重要な一歩です。トポロジカル量子コンピューティングは、トポロジカル準粒子に対する 2 つの基本操作であるエニオンの融合と織り込みに依存しています。トポロジのギャップは物質の基礎となる状態を決定し、これらの操作にフォールト トレランスを提供します。これらの操作が可能なより複雑なデバイスでは、複数のトポロジ セグメントが必要であり、初期化プロセスの一部として TGP に依存します。私たちの成功は、シミュレーション、成長、製造、測定、データ分析の各チーム間の緊密な連携にかかっています。各デバイス設計は、デバイスの製造前に 23 を超えるさまざまなパラメータを最適化するようにシミュレートされました。これにより、設計段階ですでに機器の試運転手順を決定することができます。

私たちの結果は、徹底的な測定と厳格なデータ検証手順によって裏付けられています。局所コンダクタンスと非局所コンダクタンスの組み合わせから、複数のデバイスの大規模な位相マップを取得します。交絡した TGP からのシミュレーション データを使用して分析手順を検証し、さまざまな帰無仮説を高い信頼度で排除することができました。さらに、チーム内の異なるグループ間のチェックとバランスの一環として、データ分析はデータ収集チームとは別のチームによって主導されました。さらに、独立した諮問専門家の委員会が私たちの結果を検討しており、これまでのところ非常に肯定的なフィードバックを受け取っています。

基本的な物理メカニズムの実証により、次のステップはトポロジカル量子ビットを確立することです。私たちは、トポロジカル量子ビットが他の量子ビットと比較して、速度、サイズ、安定性を兼ね備えると考えています。将来的には、この技術が最終的にフルスケールの量子コンピュータに搭載されるようになり、量子コンピューティングの潜在能力を最大限に引き出して、今日の社会が直面している最も複雑で差し迫った課題を解決するのに役立つと信じています。