高解像度顕微鏡を用いた新型量子コンピュータの開発

高解像度顕微鏡を用いた新型量子コンピュータの開発

高解像度顕微鏡を用いた新型量子コンピュータの開発についてネイチャー誌で発表されています。

物理学者は、表面上に置かれた個々の原子を用いて量子計算を行った最初の例を発表した。

この技術は、走査型トンネル顕微鏡（STM）の先端からマイクロ波信号を照射し、チタン原子を制御するものである。この技術は、グーグルやIBM、そして多くの新興企業が採用している量子コンピューターへの主要なアプローチとすぐに競合することはないだろう。しかし、この戦術は、他のさまざまな化学元素や分子の量子特性を研究するために使用することができると、これを開発した研究者は言う。

あるレベルでは、自然界のあらゆるものは量子的であり、原理的には量子計算を行うことができる。難しいのは、量子ビットと呼ばれる量子状態（古典的コンピュータのメモリビットに相当する量子状態）を環境の擾乱から隔離し、そのような計算ができるほど精密に制御することである。

ソウルにある基礎科学研究所のアンドレアス・ハインリッヒと彼の共同研究者たちは、自然界の「オリジナル」量子ビットである電子のスピンを使って研究を行った。電子は小さなコンパスの針のようなもので、スピンの方向を測定すると、古典的なビットの「0」と「1」に対応する「上」か「下」の2つの値しか得られない。しかし、電子スピンは測定される前に、重ね合わせ状態と呼ばれる連続的な中間状態に存在することができる。これが量子計算を行う鍵である。

研究者たちはまず、酸化マグネシウムでできた完全に平らな表面にチタン原子を散乱させることから始めた。次に、原子分解能を持つSTMを使って原子の位置をマッピングした。STMプローブの先端を使ってチタン原子を移動させ、3つの原子を三角形に並べた。

STMの先端から放出されるマイクロ波信号を使って、研究者たちはチタン原子の1つの電子のスピンを制御することができた。マイクロ波の周波数を適切に調整することで、電子スピンを他の2つのチタン原子のスピンと相互作用させることができた。こうすることで、研究チームは簡単な2量子ビットの量子演算を設定し、その結果を読み出すことができた。この演算に要した時間はわずかナノ秒であり、他の多くの量子ビットでは不可能な速さである。

ハインリッヒによれば、この技術をおそらく100量子ビットに拡張するのはかなり簡単で、おそらく個々の原子や分子の組み合わせでスピンを操作することで可能になるだろうという。しかし、それ以上に拡張するのは難しいかもしれない。主要な量子ビット技術はすでに数百量子ビットにまで拡張されている。「ハインリッヒは、複数のSTM量子コンピュータを連結して、より大きな量子コンピュータを作ることも可能だと付け加えた。