カリフォルニアの物理学者が、フォン・ノイマン・アーキテクチャとして知られるCPUとRAMの組み合わせをベースにした量子コンピューティング・チップを開発し、商用量子コンピューティング開発への扉を開いたと主張している。
「研究者として、物理学と工学という二つの世界の境界線にまさに立っているので、とても刺激的なことだと思います」と、サイエンス誌のオンライン出版前サービス「ScienceExpress」で木曜日に発表された論文「超伝導回路による量子フォン・ノイマン・アーキテクチャの実装」の筆頭著者であるマッテオ・マリアントーニ氏は語る。（論文への24時間アクセスは15ドルで可能。）
彼によると、彼の量子コンピュータでは、計算ステップは数十億分の1秒程度で、これは従来のコンピュータとほぼ同じだという。しかし、従来のコンピュータとは異なり、量子コンピュータはこれらの計算を大量に同時に処理できる。
マッテオ・マリアントーニと彼の量子コンピュータ
マリアントーニ氏は、ポスドク研究員を務めるカリフォルニア大学サンタバーバラ校が提供したビデオで、量子コンピューティングの基盤となる2つの中心的な量子現象は重ね合わせともつれであると説明している。
古典コンピュータでは、ビットは0か1のどちらかです。一方、量子コンピュータでは、量子重ね合わせ現象により、ビットは0と1の両方の状態を同時にとることができます。あるいは、0と1の任意の組み合わせ、例えば0が30%、1が70%といった具合です。
個々の量子ビットは0と1の両方、あるいはその両方の混合であるだけでなく、2つの量子ビットを組み合わせることで量子もつれを利用できます。マリアントニ氏によると、量子もつれは「重ね合わせの原理とほぼ同じ考え方です。ただし、重ね合わせの原理は1つの量子ビットのレベルで機能しますが、この量子もつれは同じ考え方ですが、2つの量子ビット間で機能します。つまり、2つの量子ビットを重ね合わせたり、混ぜ合わせたりできるのです」
量子レベルでくつろぐ
もちろん、マリアントニ氏の実験では、1つの量子ビットにつき1つの粒子だけが使われているわけではない。彼によると、チームは1つの量子ビットを作るために「数百万、あるいは数兆」もの粒子を使ったという。彼はこれを「コヒーレントに共に運動する巨大な電子の海」と呼んだ。量子力学的コヒーレンスを達成するには、シリコン片上のこの「海」を過冷却状態にし、高エネルギーで温かい電子が生み出すノイズを除去する必要があった。
この超冷却チップこそが、マリアントニ氏の量子コンピューティングにおける画期的な成果の源となった。「私たちは量子CPUを開発しました」と彼は説明する。「2つの量子ビットが量子バス（いわゆる量子バス）を介して相互に作用することで、ゲート、つまり量子もつれゲートを作ることができます。これが中央処理装置です。私たちはこれをquCPUと呼んでいます。」
マリアントーニと彼のチームは、単に量子CPUを作成しただけではありません。彼らは、1940年代半ばにジョン・フォン・ノイマンによって開発され、コンピューターサイエンスを学ぶ学生なら誰もが知っている有名な論文「EDVACに関する報告書の初稿」で発表された、フォン・ノイマン・アーキテクチャに基づく量子コンピューティング システムを設計しました。
フォン・ノイマン・アーキテクチャの核心は（そして非常に単純化されているが）、本質的には今日のあらゆるコンピューターの構造を表している。つまり、メモリがデータと命令を CPU に送り、CPU が計算結果を RAM に保存したり RAM から取り出したりする CPU/RAM システムである。
量子フォン・ノイマン・マシンは、2つの量子ビットを量子バスに結合して「quCPU」を形成します。各量子ビットには独自の量子メモリとゼロ設定レジスタがあり、「quRAM」を構成します。（クリックして拡大）
同じアーキテクチャは量子コンピュータにも役立ちます。「例えば、2つの量子ビット間で量子情報を作成できたら、それをどこかに保存して、後で他の計算に再利用したいと考えるでしょう」と彼は言います。「そこで私たちは、従来のハードディスクと全く同じように、量子メモリに情報を作成し、保存、書き込む機能を、同じチップ上に開発しました。」
量子システムにおいて、メモリが非常に重要な理由の一つは、情報を永続的に保持できることです。「（量子メモリは）長寿命です」とマリアントニ氏は説明します。「つまり、量子ビットよりも長く存続するため、量子ビットの寿命と比較してかなり長い期間、情報をメモリに保存できます。そして、後で必要になったときに、メモリから再度読み出し、取り出して量子計算の次のステップで再利用することができます。」
業界の財布を開く時が来た
マリアントーニ氏の観点からすると、完全な量子フォン・ノイマン・アーキテクチャ・システムをチップ上に構築できる能力は、たとえ同氏とチームが構築したシステムが非常に初歩的であり、機能するためには過冷却を必要とするとしても、量子コンピューティングを研究室から産業界へと移行させる大きな一歩です。
「現時点では、個別の量子ビット、量子メモリ、量子ゼロレジスタを組み合わせられるようになったので、我々は量子エンジニアと呼ぶべきだと思います。数年前までは、我々は真の量子研究者でした。」と彼は言う。
彼は、今日の量子デバイスの状況を、1950年代のトランジスタの状況に例える。当時は研究対象であり、工学プロジェクトの対象ではなかった。しかし、トランジスタが成熟すると、産業界がそれを担うようになり、古典的コンピュータが登場したと彼は言う。
量子コンピューティングはまだ商業的に実現可能なプロセスには程遠いかもしれないが、マリアントーニ氏は今こそ開発を始めるべき時だと主張する。「従来のプロセッサに非常に近いものを作ることができ、それを使って非常に複雑な量子ソフトウェアを実装することができます」と彼は主張する。「現段階では、そしてそれは本当に真実ですが、産業界は大規模量子コンピュータの開発に資金と労力を投資することに興味を持つでしょう。」
彼の言う通りかもしれない。従来のコンピューティング技術におけるシリコントランジスタの微細化と製造コストの増大に伴い、商用量子コンピューティングの可能性は高まっている。たとえ研究者とエンジニアの双方にとって、膨大な量の作業が残されているとしても。
ちょうど、1947 年後半にショックレー、バーディーン、ブラッテンが初めてトランスファー抵抗器を実演してから、1954 年にテキサス インスツルメンツが最初の商用シリコン トランジスタを販売するまでの数年間と同様です。®
