量子コンピューターは性能と効率の飛躍的な向上を約束するかもしれないが、実用的な構築方法が確立されるまでは実現しない。ロシアの科学者たちは、大きな進歩と言えるものを発表した。
量子コンピュータの構築は、その構成材料となる量子ビットが非常に不安定になりやすいため困難です。量子ビットは、従来のコンピュータで用いられるビットの量子版です。従来のビットはデータを0か1で表しますが、量子ビットは重ね合わせ、つまり0と1の両方の状態を同時に表すことができるという特徴があります。
重ね合わせは量子コンピューティングの刺激的な可能性の核心ですが、同時に困難な課題であることも証明されています。計算には量子ビットが状態を維持するだけでなく、互いに相互作用することが必要ですが、これまで量子ビットを構成するために用いられてきた量子物体（例えばイオンや電子）は、特定の量子状態を短時間しか維持することができませんでした。数十、数百の量子ビットを持つシステムでは、この問題はさらに複雑になります。
そこで、モスクワ物理工科大学とロシア量子センターの物理学者たちは、異なるアプローチを提案している。彼らは、大規模な量子ビットシステムの安定性を維持するのではなく、計算を行うユニットの容量を増やすことを目指した。そのために、彼らは量子ビットの代替となる「キューディット」に着目した。
モスクワ物理工科大学とロシア量子センター 「ququart」として知られる多レベル量子システム。
キューディットとは、取り得る状態の数が2つを超える量子物体のことです。キュートリットは3つの状態を持つ可能性があり、キュークォートは4つの状態を持つ可能性があります。これらの状態が追加されるため、同じ量の仕事を行うのに必要なキューディットの数は、キュービットの数よりも少なくなります。
「4段階または5段階の量子ビットは、2つの『通常の』量子ビットのシステムとして機能することができ、8段階であれば3量子ビットのシステムを模倣するのに十分です」とロシア量子センターの研究者であるアレクセイ・フェドロフ氏は説明した。
フェドロフ氏とその同僚は、人工原子を使用して作成された 5 つのレベルを持つ 1 つの量子ビット上で、完全な量子計算を実行できることを実証しました。
「特定の物理的実装においては、対応する数の量子ビットを持つシステムよりも、多段階の量子ビットを制御する方が簡単なため、私たちは大きな進歩を遂げています」とフェドロフ氏は述べた。「これは、本格的な量子コンピュータの開発に一歩近づいたことを意味します。」
研究者らの研究結果は最近、「Physical Review A」、「Physics Letters A」、「Quantum Measurements and Quantum Metrology」誌の一連の論文として発表された。
