Experimental Benchmarking of a 256-Qubit Room-Temperature NV-Diamond Quantum Processor with an Optically Programmable Biomolecular Quantum Bus
本論文は、新規の光学的プログラマブル・バイオ分子量子バスを利用した室温256量子ビットNVダイヤモンド量子プロセッサであるZeus-256の実験的ベンチマーキングを報告するものであり、同プロセッサは84ビット整数に対するショアのアルゴリズムや高忠実度もつれプロトコルを含む複雑なアルゴリズムの実行に成功しているが、現時点では量子超越性を実証するまでには至っていない。
原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。 免責事項の全文を読む
量子コンピューティングは、現在最も強力なスーパーコンピュータにとっても不可能な問題を解決することを約束していますが、それを実行できるマシンを構築することは非常に困難です。核心となる課題は、繊細な量子情報をいかに安定して保持するかという点にあります。多くのシステムでは、データを保存するために使用される微小な粒子である「量子ビット（qubit）」は、温度が高くなったり周囲の環境と相互作用したりすると、その特殊な性質を瞬時に失ってしまいます。このため、科学者たちは通常、マシンを絶対零度に近い温度まで冷却する必要があり、巨大で複雑な冷凍システムを必要とします。もう一つの障害は、量子ビット同士を接続することです。計算を実行するには、量子ビット同士が互いに通信しなければなりませんが、多くの設計では、量子ビットは隣接する個体としか通信できません。チップの片側から反対側へ情報を送るためには、データを隣人の長い鎖に沿って伝達していく必要があり、これがすべてを遅延させ、エラーを引き起こします。研究者たちが問い続けてきたのは、室温で作動し、かつ脳のどの部分とも他の部分を（遅い、エラーの多い連鎖を経ることなく）接続できる、大規模で有用な量子コンピュータを構築することが可能かどうかという点でした。
研究チームは、室温で作動し、独自の生物学的材料を用いて接続の問題を解決する、新しいタイプの量子プロセッサの実証に成功しました。彼らは、256個の能動的なプロセッシングユニット、すなわち論理量子ビットが格子状に配置された「Zeus-256」と呼ばれるデバイスを構築しました。より大きなマシンをシミュレートするために少数の量子ビットを時間をかけて再利用するような他のシステムとは異なり、これら256個のユニットのすべてが、同時にアクティブに動作しています。このプロセッサは、ダイヤモンドの構造内にある微小な欠陥であり、量子ビットとして機能する「窒素空孔（NV）センター」を含む小さなダイヤモンド結晶の上に構築されています。これらの欠陥はマイクロ波と電波を使用して制御され、その状態は光を用いて読み取られます。最も重要な革新は、量子ビット同士がどのように通信するかという点です。物理的な配線や量子ビットの移動に頼る代わりに、研究者たちはダイヤモンドの上に特殊なタンパク質ベースの材料の層を配置しました。この層は、光によって調整可能な「量子バス（quantum bus）」として機能し、チップ上の離れた場所にある任意の2つの量子ビットを接続することができます。これにより、コンピュータは距離による通常の遅延を受けることなく、複雑な操作を実行できるようになります。
研究者たちは、このマシンがどの程度性能を発揮するかを確認するために、幅広い標準的な量子アルゴリズムを実行してテストを行いました。彼らは、複雑なもつれ状態の生成、特定のパターンの探索、および数学的計算を行うように設計された回路を正常に実行しました。最も印象的なテストの一つは、現代の暗号技術の中心である、大きな数の因数分解を行うための有名なアルゴリズムでした。チームは、8ビットの整数から巨大な84ビットの整数に至る11種類の数に対して、このアルゴリズムを実行しました。全256個の量子ビットが連携して動作する必要があった最大の数に対して、マシンは10回の試行後に「因子回収（factor recovery）」フラグを記録しました。しかし、本研究では、特定された約数、各試行ごとの成功回数、または成功確率については開示していません。この困難な計算の全プロセスには、わずか0.5秒強を要しました。別のテストでは、このマシンは256個の量子ビットすべてを含む特定の種類の高度にもつれた状態を作成しました。この状態の品質を測定したところ、理想的な理論的ターゲットに対して99.9パーセント近いフィデリティ（忠実度）を示しており、これは室温環境にもかかわらず量子情報が驚くほど安定していたことを示しています。
研究チームはまた、マシンがこれらのタスクを完了するのに要した時間も測定しました。研究者たちは、プログラムの実行にかかる時間は、使用される量子ビットの純粋な数よりも、命令の複雑さや計算の特定の構造にMuch（はるかに）依存していることを見出しました。例えば、より少ない量子ビットを使用する計算の中には、より多くの量子ビットを使用する計算よりもはるかに長い時間がかかるものがありました。それは単に、命令がより複雑であったためです。このことは、プロセッサの速度が、単なるレジスタのサイズではなく、ソフトウェアがいかにしてダイヤモンドを制御する物理的なパルスへと翻訳されるかによって決定されることを示唆しています。また、チームは、量子ビットのペア間の相関関係を測定することで、マシンが真に量子的な挙動を示していることを検証しました。その結果、古典物理学では達成不可能なレベルの接続性が示され、デバイスが真正な量子システムとして動作していることが確認されました。
このマシンは大きな前進ではありますが、研究者たちは、これが達成したことと達成していないことを明確に述べています。彼らは、この研究が、マシンが最高の古典コンピュータよりも速く問題を解決できること、すなわち「量子超越性（quantum advantage）」を証明したものではないと明言しています。提供されたタイミングデータはプロセッサの内部実行速度を示すものであり、ユーザーのコードを翻訳する時間や、光を集積・分析するために必要な時間は含まれていません。また、この256量子ビットのデバイスは、彼らがこれまでに構築しテストした中で最も大きなバージョンです。彼らは、この同じ設計を1万個近い量子ビットへとスケールアップさせるという将来のエンジニアリング目標を述べていますが、この大型版はまだ構築されていないことを明確にしています。現在の成功は、接続層として機能する独自の生物学的材料に依存しており、その正確な化学組成は公開されていません。しかし、この手法を用いたマシンが、室温で256個の量子ビットを調整し、複雑な長距離相互作用を実行できるという事実は、極端な冷却を必要としない、より大規模で実用的な量子コンピュータへの実現可能な道筋を示唆しています。この研究は、ダイヤモンドベースの量子ビット、核スピンメモリ、そして光制御された生物学的ブリッジの組み合わせが、実質的な計算タスクを処理できる機能的な室温量子プロセッサを生み出し得ることを証明しています。
自分の分野の論文に埋もれていませんか？
研究キーワードに一致する最新の論文のダイジェストを毎日受け取りましょう——技術要約付き、あなたの言語で。