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 量子コンピューターの性能向上につながる技術開発が進んでいる。分子科学研究所(愛知県岡崎市)教授の大森賢治氏らの研究グループは、「第3の量子コンピューター」として注目される冷却原子型で、ノイズの影響を抑える技術を確立した。日本勢は冷却原子型でレーザー技術を強みに先行しており、大森氏らは2030年にも事業化を目指す。

 大森氏らは、冷却原子型で世界最速の2量子ビットゲート(基本演算要素)操作を実現した。長年の課題だったノイズに影響されにくい量子コンピューターの開発につながる技術だという。同氏らが開発した冷却原子型量子コンピューターは、極低温に冷却した2つの原子をµm(マイクロメートル)レベルに近づけ、特殊なレーザーを当てて操作するもの。10ピコ秒(1000億分の1秒)だけ光る超高速のパルスレーザーを使うことで、6.5ナノ秒で動作する世界最速の2量子ビットゲート(制御ゲート)を実現できる。これは、ノイズの時間スケールより2桁以上速いため、ノイズの影響をほぼ無視できるのが特徴だ。

分子科学研究所教授の大森賢治氏
分子科学研究所教授の大森賢治氏
(写真:分子科学研究所)
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2量子ビットゲートの概念図
2量子ビットゲートの概念図
光ピンセット(赤い光)で捕捉した原子2個に、特殊なレーザー光(青い光)を当てて操作する(出所:分子科学研究所 富田隆文特任助教)
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 「これまでは米Google(グーグル)が2020年に超電導方式で実現した15ナノ秒のゲート時間が最速だった」(分子科学研究所)ため大幅な短縮化になる。現在、世界ではさまざまな量子コンピューターの研究開発が進められているが、ノイズなどに起因する「量子誤り」が生じやすく、正確な計算ができないという共通の課題がある。今回の成果は将来、計算精度の高い量子コンピューターの実現に役立ちそうだ。開発が先行している超電導方式やイオントラップ方式の限界を突破できると、多くの投資家も注目する。

独自のレーザー技術で差別化、海外大学との連携も貢献

 冷却原子型量子コンピューターでは、米国やフランスの企業や大学が研究開発に注力している。その中でも大森氏らの技術は400量子ビットという世界最大級のビット数と、短いゲート時間などの点で抜きんでている。この最大の差別化要因が、独自のレーザー制御技術だ。

今回構築した冷却原子型量子コンピューター(左)と配列した800個の原子(右)
今回構築した冷却原子型量子コンピューター(左)と配列した800個の原子(右)
(出所:分子科学研究所)
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 大森氏らの方法は10ピコ秒だけ光るバンド幅(周波数帯域)の広いパルスレーザーを使うことでゲート時間を高速化した。20年以上にわたってレーザー技術の研究をしてきた知見を生かすことで、「世界でも初めてで他にはない技術」(大森氏)を実現できたと強調する。他の競合は連続発振型の通常のレーザー光を使っており、バンド幅も狭いことから量子ゲートの高速化が困難だという。

 「長年にわたって冷却原子だけを研究してきた技術者には、超高速レーザーが役に立つことに気がつかなかっただろう」と大森氏は分析する。レーザー技術という“異分野”の知見が冷却原子型量子コンピューターの進化に貢献した形だ。

冷却原子型量子コンピューターの動作の仕組み
冷却原子型量子コンピューターの動作の仕組み
(出所:分子科学研究所 富田隆文特任助教)
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