ネイチャー誌が量子コンピューティングの大きな進歩を発表：史上初の量子集積回路が実現

6月23日、オーストラリアの量子コンピューティング企業SQC（Silicon Quantum Computing）は、世界初の量子集積回路の発売を発表した。これは、従来のコンピュータ チップに見られるすべての基本コンポーネントを量子スケールで含む回路です。

SQC チームはこの量子プロセッサを使用して、有機ポリアセチレン分子の量子状態を正確にシミュレートし、最終的に新しい量子システム モデリング手法の有効性を実証しました。

「これは大きな進歩だ」とSQCの創設者ミシェル・シモンズ氏は語った。今日の古典的なコンピュータでは、原子間の相互作用の可能性が多数あるため、比較的小さな分子でさえシミュレートするのが困難です。 SQC の原子スケール回路技術の開発により、同社とその顧客は、医薬品、電池材料、触媒など、さまざまな新材料の量子モデルを構築できるようになります。これまでに存在しなかった新しい素材が実現される日もそう遠くないだろう。 「

この研究結果はネイチャー誌の最新号に掲載されている。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

古典コンピュータを量子レベルで再現する

通常の（古典的な）コンピュータと同様に、量子コンピュータはトランジスタを使用して情報をエンコードします。しかし、従来のコンピューターとは異なり、量子コンピューターのトランジスタは量子スケール、つまり単一の原子と同じくらいの大きさです。従来のコンピュータはビット 0 と 1 を使用しますが、量子トランジスタは 0、1、または 0 と 1 の混合を使用して量子情報をエンコードします。

エンジニアは、単一原子トランジスタの量子効果を利用して計算を実行できる可能性があります。しかし、量子の世界では、物事はそれほど単純ではありません。

量子の世界では、粒子は状態の「重ね合わせ」で存在し、その位置、運動量、その他の物理的特性は単一の値ではなく確率によって定義されます。重ね合わせにより、量子ビットは通常のビットよりもはるかに複雑な多次元の計算データを保存できます。

その結果、量子コンピュータは従来のコンピュータよりも数千倍、あるいは数百万倍も高速になり、最も強力な従来のコンピュータよりもはるかに効率的に計算を実行できるようになると予想されています。

しかし、それらには他の魔法の特性もあります。

重ね合わせ状態が複数のシステムまたは原子に拡張されると、量子ビットが相互に相関する「エンタングルメント状態」が得られます。量子ビットがエンタングルメントされると、量子ビットの変化が互いに影響を及ぼします。この量子効果は暗号化の分野への応用が期待されています。

しかし同時に、この効果は科学者にとって、実用的な量子コンピュータを作成する上で問題も引き起こします。

それに加えて、量子システムの確率的な性質により、エラーが極めて発生しやすくなります。したがって、量子マシンを作成する上での大きな課題は、信号内のノイズを減らすために量子マシンをコヒーレントにすることです。これは、SQC チームが解決したと信じている問題です。

「量子コンピューターを作るには、量子状態にアクセスし、それを一貫性と高速性を持たせることができるよう、原子レベルで作業する必要がある」と、SQCの創設者で論文の責任著者であるミシェル・シモンズ氏は述べた。

ミシェル・シモンズ、論文の責任著者

シモンズ氏のチームは2012年に世界初の単一原子トランジスタを開発し、2021年には世界初の原子スケールの集積回路を製造した。 「私たちは次のデバイスに目を向けています。人々が使える量子コンピュータを作る前に、商業的に意味のあるアルゴリズムを解決する必要があります。始める時点では、その回路で何を実証するのかわかりません。」

研究チームは、化学式(C2H2)n（nは繰り返しを表す）の炭素ベースの分子鎖であるポリアセチレンを選択しました。

ポリアセチレン構造

ポリアセチレン内の原子は共有結合によって結合されています。単結合は 2 つの原子が 1 つの外側の電子を共有することを意味し、二重結合は 2 つの電子を共有することを意味します。ポリアセチレン鎖中の炭素原子間の単結合と二重結合が交互になっているため、この分子は物理化学における興味深い研究対象となっています。

Su-Schrieffer-Heeger (SSH) モデルは、原子と電子間の相互作用を使用して化合物の物理的および化学的特性を説明する、よく知られた分子理論表現です。 「これは、古典的なコンピューターで解けるよく知られた問題です。なぜなら、原子の数は非常に少なく、古典的なコンピューターはすべての相互作用を処理できるからです」とシモンズ氏は言う。「しかし、現在私たちは量子システムでこれを解こうとしています。」

炭素原子 (濃い灰色) と水素原子 (薄い灰色) 間の単結合と二重結合を示すポリアセチレンの球と棒のモデル。

それで、SQC チームは量子デバイス上でポリアセチレンをどのようにシミュレートしたのでしょうか?

「プロセッサ自体に炭素原子間の単結合と二重結合をシミュレートさせます」とシモンズ氏は説明する。「シリコンシステム内の化学結合を模倣するために、サブナノメートルの精度で設計しています。そのため、これは量子アナログシミュレータと呼ばれています。」

研究者たちは、この機械の原子トランジスタを使用して、ポリアセチレンの共有結合をシミュレートした。

SSH 理論によれば、ポリアセチレンには「トポロジカル状態」と呼ばれる 2 つの異なる状態があります。これは、それらの異なる幾何学的形状に由来しています。

ある状態では、単一の炭素間結合でリンクを切断できるため、鎖の末端に二重結合が存在します。あるいは、二重結合を切断して鎖の末端に単結合を残すこともできます。単結合の方が長いため、両端の原子が分離されます。分子鎖に電流を流すと、2 つのトポロジカル状態はまったく異なる動作を示します。

それが理論です。 「これはまさに、私たちがデバイスを作ったときに見た動作です」とシモンズ氏は言う。「とても興奮しています。」

メルボルン大学の量子コンピューティング上級講師、チャールズ・ヒル博士も同意する。

「量子技術の最も有望な応用の 1 つは、1 つの量子システムを使用して他の量子システムをシミュレートすることです」とヒル氏は述べました。「この研究では、著者らは 10 個の量子ドットのチェーンを検討し、それらを使用していわゆる SSH モデルをシミュレートしました。これは注目すべきエンジニアリングです。このデモンストレーションに使用された量子デバイスは、サブナノメートルの精度で製造されました。この実験は、将来、より大規模で複雑な量子システムをシミュレートする道を開くものです。」

シモンズ氏は、複雑な製造工程の利点は、「発明して作り方を考えなければならない新しい素材を作るわけではない」ことだと主張する。

「私たちは文字通り、原子レベルの、サブナノメートルの精度を持っています」と彼女は付け加えます。「原子自体はシリコンマトリックスの中にあるので、私たちは半導体業界ですでに使用されている材料を使ってシステムを構築しています。」

「デバイス全体に含まれる原子はリンとシリコンの 2 種類だけです。他のすべての要素、すべてのインターフェース、誘電体、他のアーキテクチャで問題を引き起こすすべての要素を取り除きました。概念的にはシンプルですが、作成するのは明らかに非常に困難です。美しく、クリーンで、物理的で、スケーラブルなシステムです。」

「課題は、原子を正しい位置に配置し、そこに原子があることが分かるようにすることです。リン原子をシリコンマトリックス内に配置して保護するための化学反応を解明するのに 10 年かかりました。私たちが使用した技術の 1 つは、リソグラフィー ツールである走査トンネル顕微鏡 (STM) でした。」

研究チームはシリコンシートを真空中に置いた後、まず基板を1100℃まで加熱し、その後徐々に350℃程度まで冷却して、平らな二次元シリコン表面を形成した。その後、シリコンは水素原子で覆われ、STM チップを使用して個別に選択的に除去することができます。全体が別のシリコン層で覆われる前に、リン原子が水素原子層に新しく形成された隙間に配置されます。

原子スケールでモデル化されたSQC量子デバイス

「つまり、一度に作れるデバイスは 1 つだけです」とシモンズ氏は言う。「でも、スイスの時計のようなものだと私は考えています。非常に精密で、手作りでなければなりません。スケーラブルなシステムを作るには、そのような精度が必要だというのが私の主張です。それがなければ、何が得られるか分からないため、量子状態を構築するのは困難です。つまり、確かに速度は遅くなりますが、何が得られるかは分かっているということです。」

装置が完成すれば、研究チームが選択したアルゴリズムは「歴史的な意義」を持つことになる。

「シミュレーション アルゴリズムは、1950 年代からリチャード ファインマンの夢でした」とシモンズ氏は説明します。 「自然の仕組みを理解したいなら、その長さのスケールでそれを構築する必要があります。炭素分子の単結合と二重結合をサブナノメートルの精度でモデル化できるでしょうか? 実際、炭素原子をモデル化するために単一の原子を使用する代わりに、25 個のリン原子を使用していることがわかりました。」

研究チームは、リンクに沿った電子の流れを制御できることを発見した。

「つまり、個別かつローカルな制御と拡張された制御機能の両方が実現できるのです」とシモンズ氏は語った。 「たった 6 つの電極で 10 ポイントのリンクを作成できることを示しました。つまり、実際のポイント数よりも電極数の方がはるかに少なくなるのです。これはスケーリングに非常に役立ちます。なぜなら、量子コンピューターでは基本的に、アクティブ要素よりもゲート数を少なく構築したいからです。そうしないと、スケーリングが非常に悪くなります。」

新しいデバイスはSSH理論に適合しているだけでなく、量子コンピューターがすぐに現在の最良の理論を超えた問題をシミュレートし始めるだろうとシモンズ氏は考えている。 「これは私たちがこれまで想像もしなかったものへの扉を開くものであり、恐ろしくもあり、興奮するものでもある」と彼女は語った。

この装置には他の量子コンピュータと同様の欠点がある。特に、動作温度を絶対零度近くに保つために巨大な冷却システムが必要であり、大量のエネルギーと多額の費用がかかる。

シモンズ氏は、商業上の機密を理由に、最初のデモンストレーションの後、SQCが取り組んでいるプロジェクトについては口を閉ざしたままだった。しかし彼女は、それでもこう言いました。「私たちはこれをできるだけ多くの異なるものに適用して、何を発見できるかを見てみたいのです。」 「

Nature 論文の背後にいる SQC チーム

「リンク全体にわたって電子をコヒーレントに送れるという事実は、これが非常に量子コヒーレントなシステムであることを示しています」と彼女は語った。「これにより、物理が非常に安定しているという自信が得られます。これはシステムの純粋さの証であり、さまざまな道につながる可能性があります。より大きな物理システムを作ることは間違いなくその1つです。電荷状態ではなくスピン状態を観察することも別の方法です。」

シモンズ氏はこの研究を、量子物理学者、化学者、エンジニア、ソフトウェアエンジニアがすべて関与する学際的な性質を示す「旅」だと表現している。 「若者にとって、これは刺激的な分野です」と彼女は語った。 「これは基礎科学研究プロジェクトが実用的なツールへと進化した例です。」