シリコンのスピン量子ビットは、現在のコンピューターチップを製造する半導体プロセスを応用できるため、量子コンピューターの将来において重要な役割を担う可能性がある。しかし、複数の量子ビットを同時に制御すると操作の精度が低下するという課題があった。実用的な大規模量子コンピューターを実現するには、多くの量子ビットを同時に動かしながら誤りを最小限に抑える必要がある。
理化学研究所創発物性科学研究センターと共同研究チームは、この問題の解決に向けて重要な前進を遂げた。学術誌「Nature Physics」に掲載された研究で、チームは複数のシリコンスピン量子ビットを同時に高い精度で制御することに成功した。実験では、共有のマイクロ波制御線に接続された5個の量子ビットからなるアレイを用いた。科学研究チームは同時動作時の誤りの大きな原因を特定し、それを低減して精度を保つ手法を開発した。
実験を監督した共同筆頭著者のLeon Camenzind氏は、次のように説明する。「複数の量子ビットを同時に操作しても高い忠実度を維持できることを示しており、シリコンベースの量子プロセッサのスケールアップに向けた重要な一歩だ」。
従来のコンピューターが0か1のビットで情報を扱うのに対し、量子コンピューターは両方の状態の組み合わせを取れる量子ビットを使う。シリコンスピン量子ビットは、シリコン中に閉じ込めた個々の電子のスピンで情報を保持する。信頼性の高い量子計算には、この電子スピンの極めて精密な制御が欠かせない。
制御を担うのがマイクロ波信号だが、複数の量子ビットを同時に動かすと望ましくない影響が生じ、精度を妨げる。研究チームはこの問題の多くが「ACシュタルクシフト」と呼ばれる現象に由来することを突き止めた。マイクロ波の制御信号が量子ビットの実効的なエネルギー準位を変え、量子状態の位相に変化を引き起こす。この位相のずれが、特に複数を同時に制御する際に個々の量子ビットの意図した操作を妨げる。
そこでチームは、こうした望ましくないずれを補正する較正手法を考案した。考えられるすべての量子ビットの組み合わせを個別に較正するのではなく、量子ビットのペア間で行った較正を利用する。これにより、より多くの量子ビットを備えたシステムでも実用的なアプローチになる。博士研究の一環として実験を担った筆頭著者のYi-Hsien Wu氏は「すべての組み合わせに別々の較正手順を必要とするのではなく、ペア間の較正で望ましくない位相のずれを補正できる」と説明する。
研究チームはこの較正手法に、改良したデバイス設計と入念に調整したマイクロ波制御パルスを組み合わせた。その結果、複数の量子ビットを同時に動作させても非常に高い精度を維持できることが示された。5個の量子ビットを個別に試験したところ、いずれも単一量子ビットゲートの忠実度は99.99%を大きく上回り、最高では99.999%に迫った。忠実度とは、量子操作が意図した結果にどれだけ近いかを表す指標だ。
続いて、複数の量子ビットを同時に動かした際の性能を調べた。3個までを同時に動作させた場合、忠実度は99.99%を超えた。5個すべてを同時に制御しても、精度は約99.9%にとどまり、実用的な誤り耐性量子計算に必要な水準に近づいた。
ただし、較正手法は誤りを大幅に減らしたものの、完全には排除していない。残る精度低下は、複数の量子ビットを同時に動かすために必要なマイクロ波パワーの増大に起因する「駆動誘起デコヒーレンス」に関連していることが分かった。新しい手法が補正する位相のずれとは異なり、デコヒーレンスは信頼性の高い操作に必要な微妙な量子コヒーレンスの喪失を意味する。Camenzind氏は「これは限界ではあるが、デバイス設計のさらなる改善によってこの誤り源を軽減できる可能性がある」と述べる。
この成果は、複数のシリコンスピン量子ビットを同時に制御しても、精度を大きく犠牲にする必要はないことを示している。誤りの主要因を補正することで、共有のマイクロ波制御線を通じてより多くの量子ビットを動作させる有望な方法が実証された。
これは大規模な量子プロセッサの開発にとって特に重要だ。すべての量子ビットに独立した制御系を備えると、デバイスは複雑化し管理が難しくなる。共有制御線は、量子計算に必要な精度を保ちながらシステムを拡張する、より実用的な手段となり得る。
Camenzind氏は「ペア較正によって制御誤りの主要因に対処することで、本研究は共有制御線が量子プロセッサのスケールアップに有効なアプローチであることを支持する。確立された半導体製造との親和性というシリコンの利点と合わせ、この進展はより複雑な計算を実行できる大規模な量子プロセッサへの道を開く一助になると考える」と話す。
より広い目標は、量子系に影響する誤りや擾乱があっても信頼性高く計算できる量子コンピューターの実現だ。こうした「誤り耐性量子コンピューター」には、多数の量子ビットに対する精密で安定した制御が求められる。JSTムーンショット目標6のシリコン量子計算プロジェクトのプロジェクトマネージャーを務めるSeigo Tarucha氏は「シリコンスピン量子ビットに基づく誤り耐性量子コンピューターの構築が長期的な目標であり、信頼できる並列制御はそこへ向けた不可欠なステップだ」と付け加えた。