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Microsoft、新しい Majorana 1 量子プロセッサの分野では、100 万量子ビットの量子チップへの実現可能な道筋が示されました。しかし、この新しい物質状態は、量子コンピューティングにとって本当に画期的な進歩なのでしょうか。それとも、進化の過程における単なる一歩なのでしょうか。
量子コンピューティングは長い間、テクノロジーの新たなフロンティアと考えられており、最も強力な現代のスーパーコンピューターでも解決できない問題の解決策を約束しています。しかし、研究者たちは、ノイズ、不安定性、スケーラビリティの問題に屈することなく、量子情報の基本単位である量子ビットの複雑な物理を処理できるシステムを構築する方法という根本的な課題に何年も取り組んできました。
Microsoft 同社は今、新たな方向性を定めたと主張している Majorana 1 チップは、トポロジカルコアアーキテクチャと呼ばれる革新的技術です。標準的な半導体や超伝導材料で作られた従来の量子ビットとは異なり、 Majorana 1 まったく異なるもの、つまりトポロジカル導体に依存しています。これらの材料は、従来の固体、液体、または気体の状態とは異なる、新しい物質状態、つまりトポロジカル相を生み出すことができます。
しかし、なぜこれが重要なのでしょうか。さらに重要なのは、量子物理学の分野以外の人がなぜ気にする必要があるのかということです。量子コンピューティングの可能性は研究室をはるかに超えて広がり、自己修復構造材料の開発から、プラスチックを無害な副産物に分解する触媒の最適化まで、あらゆるものに影響を与えます。 Microsoft 信じている Majorana 1こうした画期的な進歩は、数十年ではなく数年以内に実現する可能性があります。
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キューブの別の見方
の中心に Microsoftの進歩は、新しいトポロジカル導体材料です。インジウムヒ素（半導体）とアルミニウム（超伝導体）から作られ、ある研究者が述べたように、「文字通り原子ごとに組み立てられています」。その結果、マヨラナフェルミオンと呼ばれる捉えどころのない量子粒子を維持できる超純粋な環境が生まれます。
マヨラナ粒子は、理論的には量子情報を保存する最も信頼性の高い方法の 1 つです。その独自の特性により、環境ノイズからデータを保護して、脆弱な量子状態を維持できます。従来の量子ビットは非常に敏感で、デコヒーレンス (外部干渉により量子状態が崩壊するプロセス) が発生しやすい傾向があります。漂遊電磁信号、温度変動、または小さな物理的混乱などの小さな障害でも、エラーが発生する可能性があります。この固有の脆弱性は、安定したスケーラブルな量子コンピューターを構築する上で長い間大きな障害となってきました。
Microsoft 今では Majorana 1ベースのトポロジカル量子ビットはハードウェアレベルのエラー耐性を提供し、量子ビットの設計に安定性を効果的に統合します。簡単に言えば、これにより量子コンピューターが大幅に実用的になり、拡張が容易になります。
「私たちは一歩下がって、『量子時代のトランジスタはどのようなものになるのか？どのような特性を持つべきなのか？』と自問しました」と、 Microsoft「私たちがここに到達できたのは、特定の材料品質と新しい材料セットの重要な詳細というユニークな組み合わせのおかげで、新しいタイプの量子ビット、そして最終的にはアーキテクチャ全体を作成することができました。」
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この画期的な進歩がなぜ重要なのか
量子コンピューティングは、特に化学、物理学、材料科学における膨大なデータセットや複雑な相互作用を伴う分野で、問題解決に革命を起こす可能性を秘めています。しかし、確実に機能する数百または数千の量子ビットを実現することさえ、依然として課題となっています。
固有の問題として、量子ビットはエラーを起こしやすいことが挙げられます。エラー訂正機能を備えたシステムを構築するには通常、計算を実行する少数の「論理量子ビット」を安定化するために追加の量子ビットを使用するため、かなりのオーバーヘッドが必要になります。
トポロジカルアプローチは、各量子ビットを本質的に安定させることで、エラー訂正のオーバーヘッドを削減することを目指しています。これは、100 万量子ビットを処理できるマシンを構築するという探求において、大きな飛躍を意味します。このしきい値は、新しい医薬品の研究、複雑なサプライ チェーンの最適化、橋のひび割れ、飛行機の部品、さらには携帯電話の画面の傷を修復できる自己修復材料の発見など、現実世界の問題に取り組むために不可欠であると専門家は考えています。
手のひらに収まるほど小さなチップに100万量子ビットを実現するというのは、SFの世界の話のように聞こえるかもしれない。しかし、 Microsoft この規模は、トポロジカル コア アーキテクチャを通じて達成できると考えています。
「量子空間を探索すると、100 万量子ビットへの道が必ずあるはずです。それがなければ、私たちを駆り立てる本当に重要な問題を解決するのに必要な規模に到達する前に壁にぶつかるでしょう」とチェタン・ナヤックは言います。「私たちは実際に 100 万量子ビットへの道筋を描き出しました。」
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制御と測定の再考
量子ビットには安定性だけでなく、有用な結果を得るために測定可能でなければなりません。従来の方法では、各量子ビットを類推的に微調整することが多く、これは複雑で時間のかかるプロセスであり、量子ビットの数が増えると管理できなくなります。
Microsoft この課題を回避するために、ナノワイヤの端（マヨラナが存在する場所）を量子ドットに接続する「デジタル スイッチ」を導入しました。この量子ドットは、存在する電子の数に基づいて変化する電荷を蓄えます。これは、「10 億」と「10 億と 1」を区別するのと似ています。この電荷の違いは、量子ビットが偶数状態か奇数状態かを示し、量子計算の重要なデータとなります。
重要なのは、電圧パルスを使用して測定のオン/オフを切り替えることができることです。これは、感度の高いダイヤルを調整するというよりも、デジタルスイッチを切り替えるようなものです。このアプローチにより、エンジニアは各量子ビットを個別に調整する必要がなくなり、システムの複雑さが桁違いに軽減される可能性があります。さらに、ハードウェアレベルで安定しているため、エラー修正に必要な追加の量子ビットが少なくなります。
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不可能を創造する：物質の新しい状態
物質の位相的状態（固体、液体、気体とは異なる物質の相）の概念は、抽象的な量子力学のように聞こえるかもしれない。しかし、それがこのアプローチの基礎である。位相的導体の作成には Microsoft まったく新しい種類の材料を開発するため。
Microsoftのトポロジカル量子ビット アーキテクチャは、アルミニウム ナノワイヤで作られた小さな「H」の形をしており、制御された 4 つのマヨラナをまとめて 1 つの量子ビットを形成します。これらの個々の量子ビットはチップ上に配置できるため、スケーリングへの直接的な道筋が提供されます。
「そこに到達するには新しい物質の状態を実証する必要があるため難しいのですが、その後は比較的簡単です。タイル張りのようなものです。はるかにシンプルな構造で、スケーリングへの道がはるかに早くなります」と、別の技術スタッフであるクリスタ・スウォーレ氏は語った。 Microsoft.
この新しい物質状態は、マヨラナフェルミオンがとらえどころのない理由でもある。自然はそれらを自発的に作り出さないからだ。それらの存在を誘発するには、絶対零度に近い温度、慎重に調整された磁場、超伝導アルミニウムと半導体インジウムヒ素の間の完璧なインターフェースが必要である。原子構造に1つでも乱れがあれば、量子ビットは機能しなくなる。これは材料科学における驚くべき進歩であり、この研究が直面する工学的課題の大きさを浮き彫りにしている。 Microsoft 克服しなければならなかった。
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真の解決策への道
量子コンピューティングの野心的な研究と同様に、結果が完全に実現するまでには何年もかかるでしょう。しかし、 Microsoft ポジション Majorana 1 量子コンピュータは、業界を形作る問題を解決する量子コンピュータの能力を加速させるパズルの欠けているピースである。高リスクで高コストの技術への資金提供を担当する国防高等研究計画局（DARPA）も、これに同意するようだ。 Microsoft は、DARPA の US2QC (Underexplored Systems for Utility-Scale Quantum Computing) プログラムの最終段階に選ばれた 社のうちの 社であり、実際の商業的価値のある初のフォールト トレラント量子コンピュータの開発を目指しています。
その影響は計り知れない。100万個の量子ビットのシステムがあれば、科学者は理論的には最も複雑な化学上の謎を解明したり、特定の材料が腐食したり割れたりする理由を説明したり、特定の酵素が農業や医療において触媒としてどのように作用するかを明らかにしたりできるだろう。
こうした発見は、自己修復型のインフラ、より効果的な医薬品、あるいはプラスチックを分解してマイクロプラスチック汚染と闘うための普遍的な方法の創出につながる可能性がある。人工知能の進歩と組み合わせることで、量子コンピューターは私たちの目標を新素材の「レシピ」に変え、研究開発における何年もの試行錯誤を省くことができるかもしれない。
「当初から、私たちは知的リーダーシップのためだけではなく、商業的な影響力を持つ量子コンピュータを開発したいと考えていました」と、 Microsoftの技術フェローであるマティアス・トロイヤー氏は次のように語っています。「新しい量子ビットが必要だとわかっていました。規模を拡大する必要があることもわかっていました。」
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クォンタムの転換点
多くの点で、量子コンピューティングの分野における戦いは、半導体革命の初期の時代を反映しています。エンジニアは実用的なトランジスタが世界を変えるだろうとわかっていましたが、まずは材料科学と回路設計の数多くの課題を解決する必要がありました。
同様に、トポロジカル導体は、かつて半導体が古典コンピューティングで果たした役割を量子コンピューティングで果たし、次世代の計算能力に必要な安定したスケーラブルな基盤を提供します。
この Majorana 1 100万量子ビットを収容するように設計された、手のひらほどの大きさのこのチップは、量子「100万量子ビット」マシンの時代が私たちが考えているよりも近いかもしれないことを示しています。もちろん、実際の大規模量子マシンの開発にはまだ何年もかかります。
希釈冷凍機、制御ロジック、ソフトウェア スタック、および計算エコシステム全体をシームレスに統合する必要があります。ただし、トポロジカル アプローチにより、「量子ビットの安定性を維持し、確実に測定する方法」に関する最大の科学的ハードルが部分的に解消されました。
「一つは物質の新しい状態を発見することだ」とナヤック氏は言う。「もう一つはそれを使って量子コンピューティングを大規模に再考することだ」 Microsoft 量子技術を研究室の枠を超えて実用化へと前進させることで、その両方を実現しました。安定した量子ビットの探求は、量子ハードウェアの信頼性が高まり、100万量子ビットへの道が開かれ、商用アプリケーションが間近に迫る時代へとようやく移行するかもしれません。
この技術が期待通りの成果を上げれば、それは単なる転換点ではなく、 Microsoftそれは、先端材料や医薬品から複雑な環境ソリューションまで、あらゆるものを開発する方法におけるパラダイムシフトを意味する可能性があります。 Majorana 1 それはとても大きなことです。
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