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IonQは、異なる種類の量子ハードウェアを接続して通信させる、より高速な方法を見いだした。
先週発表された実験結果で、量子コンピューティング・ハードウェアメーカーのIonQは、根本的に異なる2種類の量子ビット、すなわちトラップされたバリウム138イオンと固体ダイヤモンド量子メモリーの間で、平均1秒あたり1,032組の予告付きもつれ生成レートを達成したハードウェアリンクを発表した。
この成果は、メモリー支援型インターコネクトとして初めてキロヘルツの壁を突破したもので、従来のイオントラップ方式のベンチマークを4倍上回る。
IonQの量子インターコネクトの仕組み
大規模量子コンピューターの構築は、長年にわたって物理的な壁に直面してきた。壊れやすい量子ビットを1つのプロセッサーに数千個詰め込むと、深刻なクロストークや制御上の問題が生じるためだ。もう1つの選択肢が、光ファイバーで小型チップ同士を接続するモジュール型量子コンピューティングである。
従来のインターコネクトでは、2つの独立した光子（各プロセッサーから1個ずつ）がビームスプリッターに同時に到達し、干渉する必要がある。光子の損失が両端で発生するため、成功率は伝送効率の2乗に比例し、接続速度は極端に低下する。
IonQは、異種技術を採用することでこのボトルネックを回避した。トラップイオンは処理とコヒーレンスの維持に優れ、ダイヤモンドのナノフォトニック空洞にあるシリコン空孔（SiV）カラーセンターは光との相互作用に優れている。
2つの一致する光子を待つ代わりに、バリウムイオンからの493.5ナノメートルの光子1個を量子周波数変換によって737.45ナノメートルに変換し、早い時間ビンと遅い時間ビンに分けてSiVメモリー空洞で反射させる。その反射した光子1個を検出すれば、もつれが確認されるため、成功率のスケーリングは2乗則から線形へと変わる。
「光子を介して量子ビットを移動させることは、あらゆる大規模量子コンピューターで必要になる。そして今回の実証は、今後の素晴らしい研究の基盤となる」と、IonQのチーフサイエンティストであるChris Monroeは、Duke UniversityのGilhuly Family Presidential Distinguished Professorでもある。
eWEEKが注目した点：速度だけでは量子ネットワークのスケーラビリティは実現しない
IonQの実証は異なる種類の量子ハードウェアを接続する取り組みの前進を示すものだが、もつれ生成の高速化だけでスケーラブルな量子ネットワークが保証されるわけではない。
同社が報告した平均値は1秒あたり1,032組の予告付きもつれで、目標状態に対する忠実度は87.9％だった。予告付きとは、検出イベントによってもつれの成功が示されることを意味し、忠実度は生成された量子状態が意図した状態にどれだけ近いかを測る指標である。
この結果は、分散型量子コンピューティングにおける重要な課題を浮き彫りにしている。すなわち、信頼性の高い処理に必要な品質を維持しながら、もつれを高速に生成することだ。接続の高速化によって量子プロセッサー間の遅延は短縮できる可能性があるが、不完全な状態はエラーを生み、対処が必要になる。
性能指標 | 報告された結果 | 意義 |
| もつれ生成レート | 1秒あたり1,032組 | 予告付きもつれ生成の速度を実証 |
| 目標状態の忠実度 | 87.9% | 生成された状態の品質を示すが、エラーは残る |
| ハードウェア接続 | トラップされたバリウムイオンとダイヤモンド量子メモリー | 異なる量子ハードウェアプラットフォーム間のもつれを実証 |
| ネットワーク規模 | 実験的なリンク | より大規模な複数ノード運用はなお実証されていない |
異なる量子ビット技術を接続できることには、特に大きな意義がある。量子ハードウェアのプラットフォームにはそれぞれ異なる強みがあり、信頼性の高いインターコネクトが実現すれば、将来的には大規模なシステム内で専門性の異なるプロセッサーやメモリーを組み合わせられる可能性がある。
将来の量子コンピューターは、あらゆる機能を単一の量子ビットアーキテクチャに頼るのではなく、計算、ストレージ、通信に異なる技術を使うようになるかもしれない。
このアプローチをスケールさせるには、光子損失や同期、ハードウェアの複雑性を管理しながら、追加ノードでも性能を維持する必要がある。ダイヤモンドベースの量子メモリーでは、特殊な極低温冷却が必要になる場合もあり、別のエンジニアリング上の検討事項が加わる。
企業向けテクノロジーのリーダーにとって、今回の成果は分散型量子コンピューティングに必要なハードウェアが進展したものと捉えるのが適切であり、導入準備が整った証拠ではない。次のマイルストーンは、忠実度の向上、信頼性の高い複数ノード接続、そしてシステムの拡大に伴って性能を維持できることの実証となる。
IonQの量子インターコネクト、次の展開
IonQは、DARPAの「Heterogeneous Architectures for Quantum（HARQ）」プログラムの下で、このアーキテクチャを発展させている。同プログラムは、トラップイオン、中性原子、超伝導システムなど、異なる量子コンピューティングプラットフォームを接続できるインターコネクトの開発を目指すものだ。
「当社の技術はほぼあらゆる種類の量子ビットとインターフェースできるため、モジュール型コンピューティングからネットワーク型センシングまで、さらにその先に至る複数のハードウェア方式にまたがる幅広い機会を切り開くと考えている」と、IonQでSkyWaterのQuantum Technologies部門のシニアバイスプレジデント兼ゼネラルマネージャーを務めるMihir Bhaskarは述べた。
より大きな目標は、個別の実験的接続を超え、複数の量子デバイスを支えられるネットワークへと進むことだ。それを実現するには、異なるハードウェアプラットフォームの統合に伴うエンジニアリング上の課題に対処しながら、追加ノードでも信頼性の高い性能を実証する必要がある。
現時点で、IonQの実証は異種量子システムがより高いレートでもつれを確立できることを示している。次の試金石は、研究者がより多くのデバイスをつないで量子ネットワークをますます複雑化させたときにも、その性能を維持できるかどうかだ。
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