ニュージャージー州マレーヒルにあるベル研究所の科学者であるボブ・ウィレットは、最近の春の日、珍品のキャビネットをのぞいて、棚から小さな黒い結晶を素早く引き抜き、顕微鏡の下にスライドさせました。 「これはいいものだ」と彼は約束した.
四角い太陽の光線のように、回路のリード線のパターンが水晶の表面に放射状に広がっています。ウィレットと彼の共同研究者による何十年にもわたる試行錯誤の産物であり、それは非常に純粋なヒ化ガリウムのフレークから作られているため、内部の電子は数マイクロメートルの距離にわたって互いの存在を感知することができた.結晶が磁化され、数分の 1 の温度まで冷却されると、電子が結合し、想像を絶するほど強力なコンピューターを構成する独特の量子状態が形成されます。
ウィレットは、その状態を利用して「トポロジカル キュービット」を構築しようとしています。これは、通常のコンピューターを構成するビットに類似した、はるかに複雑で強力な情報保存デバイスです。量子ビットは、1980 年代初頭に考案された未開発の技術である量子コンピューターの基本的な構成要素です。通常のビットとは異なり、キュービットのパワーはその数に応じて指数関数的に増加します。多くのタスクでは、わずか 100 キュービットで構成される比較的小さな量子コンピューターが、世界最高のスーパーコンピューターを凌駕し、人類に新たなレベルのコンピューティング能力をもたらします。
科学者はすでにキュービットを構築していますが、ウィレットのトポロジカル バージョン (粒子の編組パスに情報を格納する) が実現されれば、既存のプロトタイプよりもはるかに安定する可能性があります。専門家は、本格的な量子コンピューターを構築するための最も有望な基盤になる可能性があると述べています.
量子コンピューターを構築するための鍵は、互いにリンクできる量子ビットの数を増やすことです。過去 20 年間に莫大なリソースが投資されたにもかかわらず、既存のキュービットの極端な脆弱性により、これまでのところ、それらをネットワーク化する取り組みが制限されており、技術が実現するかどうかについての不確実性さえ増しています。ただし、トポロジカル キュービットは、基本的な利点を提供します。それらは、まれで非常に厄介な量子状態 (現時点では非常に困難であり、一貫してそれを実行できるのはウィレットだけです) に依存しますが、一度形成されると、理論的には頑丈なように動作します。ノット — 他のすべての種類の量子ビットの繊細な特性を破壊する擾乱に耐性があります。
「理論家の観点からすると、トポロジカル量子コンピューティングは、堅牢な量子計算を実現する最も洗練された方法です」と、理論物理学の教授であり、カリフォルニア工科大学の量子情報および物質研究所の所長であるジョン プレスキルは述べています。 「しかし、トポロジカルなことをすることに興味を持っていた人々は、ある種の不満を感じ、それは非常に難しいだろうと判断しました — ウィレットを除いて.」
57 歳の背が高く、親切な男性であるウィレットは、ベル研究所の荒涼とした迷宮で休日も含めて週 7 日働き、異常にひたむきな献身で目標を追求しています。ここ数年、彼は、超高純度、超低温、超磁化ガリウム砒素結晶が「非アーベルエニオン」と呼ばれる奇妙な粒子を生成するという証拠を次々と集めてきた。キュービット。ウィレットのデータの質、および理論と数値計算からのサポートにより、多くの外部の専門家は、彼が見ている効果が現実のものであると信じています。それでも、ウィレットの実験は非常に難しいため、他の研究室ではそれを再現することができず、非アーベルエニオンの彼の印象的な観察は、彼の特定の設定または技術の単なる人工物である可能性が残されています.それにもかかわらず、ウィレットは前進することを決定し、最近、世界初のトポロジカル キュービットとなる可能性のあるものの構築を開始しました。
マイクロソフト リサーチ ステーション Q およびカリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学者であり、ウィレットと協力している Chetan Nayak は、「成功する可能性は高いと思います」と述べています。 「考えられる限り多くのことを考えましたが、契約を破るものは何もありません。」
研究室に戻ると、ウィレットはコンピューターの上の壁に固定された電子回路のクローズアップ写真を指さした。 「それは量子ビットです」と彼は笑顔で言いました。回路はガリウム砒素結晶の表面を蛇行し、2 つのチャンバーを取り囲んでおり、すべてがうまくいけば、最終的に一対の非アーベル エニオンのホストとなります。 「ここ、ここ、ここに鼻くそがあります」と彼は言い、パターンの欠陥を指摘しました。 「しかし、これを実現するためのすべての手順が整っています。」
量子コンピューターの概念は、電子や光子から非可換エニオンに至るまで、量子世界の住人が一度に多くのものになれる奇妙でユニークな能力に依存しています。たとえば、電子は時計回りと反時計回りの両方を同時に回転させることができます。光子は 2 つの軸に沿って偏光できます。通常のビットとして機能するトランジスタは、2 つの状態 (0 または 1 で示される) のいずれかになりますが、回転する電子または偏光光子から作成されるキュービットは、0 と 1 の混合または「重ね合わせ」であり、両方の状態に同時に存在します。通常のコンピューターの容量はビット数に比例して増加しますが、量子ビット数が増加すると、それらの重ね合わせが絡み合います。それぞれの可能性が互いに結合して、量子コンピューターの状態の可能性の空間が指数関数的に増加します。全体。物理学者は、データベース検索、コード解読、高レベルの物理シミュレーションなどのタスクに対して、記録破りの速度でこの多面的なキュービット ネットワークを操作する量子アルゴリズムを発見しました。
回転する電子、偏光した光子、またはキュービットとして機能する可能性のある他のほとんどの粒子の絡み合った重ね合わせの問題は、それらが非常に不安定であることです。環境にライト ブラシを当てると、キュービットの重ね合わせが崩壊し、強制的に 0 または 1 の明確な状態になります。「デコヒーレンス」と呼ばれるこの効果により、量子計算が突然終了します。デコヒーレンスと戦うために、たとえば、エンタングルされた電子で構成される量子コンピューターでは、情報の各単位を、1 つの環境の乱れがそれらすべての崩壊につながるのを防ぐために巧妙に配置された多くのキュービットの精巧なネットワーク間で共有する必要があります。 「それは大きな間接費になります」と Preskill 氏は言います。 「100 個の論理量子ビットが必要な場合」 — 計算に関係するもの — 「コンピューターには数万個の物理量子ビットが必要です。」
これまでのところ、科学者は物理量子ビットの小さな配列を構築することに成功しており、それらは 1 ミリ秒未満しか絡み合っておらず、興味深い計算を行うことができません。カリフォルニア大学サンタバーバラ校のジョン・マルティニス教授は、「人々がまだ論理量子ビットを主張するかどうかはわかりません」と述べ、そのグループは4月に超伝導体から作られた5量子ビット配列の作成を報告しました。マルティニス氏は、デコヒーレンスの影響に対処する上である程度の進歩が見られたと述べていますが、「必ずしも論理量子ビットを構築する方法を知っているわけではありません.」
ロシアの物理学者アレクセイ・キタエフ (現在はカリフォルニア工科大学) は、困難なデコヒーレンスの問題を念頭に置いて、1997 年にこの問題を完全に回避する量子コンピューティングへの別のアプローチを考案しました。 Kitaev は、非アーベル エニオンと呼ばれる仮説上の粒子のペアから、非常に安定したキュービットを理論的に形成できることに気付きました。これは、非アーベル エニオンのペアの状態が、スピンや分極などの壊れやすい特性ではなく、そのトポロジー (2 つのエニオンの経路が互いにどのように編まれているか) によって決定されるためです。それらの経路が空間と時間を蛇行する靴ひもであると考えられる場合、粒子が互いに回転すると、靴ひもが結び目になります。 「非アーベル」とは、回転の順序が重要であることを意味します。たとえば、エニオン A と B を交換してから B と C を交換すると、B と C を交換してから A と B を交換するのとは異なる組紐が生成されます。それらの状態は、量子アルゴリズムのステップをエンコードして、互いにどのように編み込まれたかによって一意に異なります。そして、重要なのは、結ばれた靴ひもに触れてもほどけないのと同じように、ランダムな環境摂動によってトポロジカル キュービットの編組がほどけることはないということです。非アーベル エニオンが存在し、編組できる場合、理論的には堅牢でスケーラブルな量子コンピューターのビルディング ブロックを形成できます。
「コヒーレンス時間は非常に長くなる可能性があります。マイクロ秒ではなく、数週間です」と Nayak 氏は述べています。
Kitaev のトポロジカル量子コンピューティング スキームは、非アーベル エニオンであることが強く疑われていた粒子がすでに存在していたため、大きな興奮を引き起こしました。これは、マサチューセッツ工科大学の大学院生が最初の実験を行って 10 年前に発見されたとらえどころのない実体でした。一連の実験 — ボブ・ウィレット。 「あなたが始めたばかりのときに、そのようなものを見るには多くの運が必要です」とウィレットは言いました.
ウィレットのメンターであり、頻繁に MIT を訪れていたベル研究所の凝縮系物理学者であるホルスト シュテルマーは、1982 年に、液体や固体のような新しいクラスの物質の状態を共同発見しましたが、それははるかに奇妙なものでした。 (このため、彼は 1998 年のノーベル物理学賞をダニエル・ツイとロバート・ラフリンと分かち合うことになった。) ストーマーと彼の共同研究者は、結晶の 2 次元シートの温度と磁化が適切であり、結晶が非常に純粋であることを発見した。内部のどこにいても電子は互いに感知でき、電子は個々のアイデンティティを脱ぎ捨て、一貫した群れを形成します。そして、この群れの中で、新しい粒子のような実体が出現します。電子の代わりに、それらは余剰磁場であり、それぞれが電子の一部に等しい電荷を持っていました。たとえば、3 分の 1 です。理論家たちは、これらの分数電荷が現れる理由を理解していると考えていました。しかし、1986 年に、ウィレットは 5/2 (「5 つの半分」) 状態と呼ばれる例に出くわしました。これは、どの分数が許可されるかについての理論的理解に適合しませんでした。
理論家は 1990 年代に、5/2 状態の粒子がエニオンであり、おそらく非アーベル エニオンであることに気づき、トポロジカル量子コンピューティングに使用できるという期待を高めました。 2005 年、Nayak、Microsoft Research Station Q ディレクターの Michael Freedman、およびメリーランド大学の Sankar Das Sarma は、5/2 状態に基づくトポロジカル キュービットを設計しました。重要な簡素化がすぐに続きました。数十年間ベル研究所で分数量子状態の研究を続けていたウィレットを含め、多くの実験家が研究に着手しました。
最初のタスクは、5/2 状態のエニオンを「干渉実験」にかけ、それらが本当に非アーベルであるかどうかを判断することでした。ウィレットと彼の同僚は、ヒ化ガリウム結晶の表面に回路を堆積させ、それを冷却し、磁化して 5/2 状態を誘導し、回路を流れる電流の山と谷を測定しました。エニオンが回路を横切るとき、それらはパスのすべての分岐点で重ね合わせに分割され、後で合流します。 2 つの重ね合わせが同一である場合、重なり合う波のように干渉し、電流に山と谷が生じます。それらが異なる場合、それらは夜に船のように通過し、流れは一定のままです.したがって、干渉パターンの有無はそれらの状態に依存し、非アーベル エニオンの場合は、他の非アーベル エニオンの周りにどのように編まれているかによって制御されます。ウィレットが回路内のチャンバーに奇数のエニオンを閉じ込めることによって干渉パターンを殺すことができた場合 — これにより、重ね合わせが異なる方向にそれらの周りを編み込み、異なる状態を達成することになります — その場合、エニオンは非アーベルでなければなりません.
効果は微妙で、5/2 状態でも発生する通常の「アーベル」エニオンからの別の干渉信号に対して、最初はほとんど目立ちませんでした。しかし、何年にもわたって、ウィレットが回路設計を改善して、主張されている非アーベルエニオンの形成を促進し、彼の協力者がガリウム砒素結晶の純度を高めるにつれて、制御可能な干渉信号がより明確になりました.彼のグループの最新の結果は、2013 年 10 月に Physical Review Letters に掲載されました。
「実験を全体的に見ると、5/2状態が非アーベル励起をサポートしていることを強く示唆しています」と、パデュー大学の物理学教授でガリウム砒素の実験者であり、ウィレットにサンプルを提供したマイク・マンフラは述べています。 「決定的なものにするために、これらの結果を独立した研究所で再現する必要があることも事実です。」
現在、デンマークのコペンハーゲンにあるニールス ボーア研究所にいるチャールズ マーカスを含む他の研究者は、ウィレットのデータを再現しようとしましたが失敗しました。 「彼が見る小刻みは見えません」とマーカスは言いました。 「ボブが報告しているデータが最終的に誰もが目にするものになるのか、それとも私たちが『いや、それはニシンだった』と言うつもりなのか、まだわかりません。」
しかし、ウィレットと彼の同僚は、マーカスの手法に問題があるのではないかと疑っています。ガリウム砒素の世界最高の生産者であるローレン・ファイファーは、2009 年にプリンストン大学に移り、ウィレットと協力し続けているベル研究所の長年の物理学者であり、マーカスのグループが非アーベル エニオンを検出するとは期待していないと述べています。どちらのグループも、ファイファーのガリウム砒素結晶を使用していますが、異なる回路製造技術を適用しています。ファイファーは、結晶内の原子の整然とした列を「美しく手入れされた庭園」と表現し、マーカスのエッチング手順は荒すぎると考えています。
迫られたとき、マーカスは、ウィレットと彼の協力者の調査結果が最終的に立証されるのではないかと疑っていると述べた. 「私は、五分体状態に非アーベルエニオンがあると思いますか?はい、そうです」と彼は言いました。いずれにせよ、彼は、問題は「量子ビットが機能すれば」完全に解決されるだろうと付け加えた.
トポロジカル キュービットの構築は、ウィレットと彼の同僚が既に行った干渉実験よりもわずかに複雑です。 「基本的には、干渉計を 2 倍にして、1 つではなく 2 つのチャンバーを作るだけです」と彼は説明しました。余分なステップは、チャンバーを接続するための「エアブリッジ」であり、これにより、エニオンのペアをそれらの間で分割できます。これらのエニオンは重ね合わせて存在し、それらの状態は、回路を介してそれらの周りに編みこまれたエニオンの流れによって変化する可能性があります。 「それだけです」ウィレットは言った。 「それがトポロジカル キュービットの要素を形成します。」
ウィレットは、ベル研究所の一見果てしなく続く幹線道路沿いにある、同じ一連の研究所で 25 年間働いてきました。 6 年前、ラボの親会社であるアルカテル ルーセントは、基礎研究プログラムの縮小を開始しました。ファイファーは、完全に校正された「分子線エピタキシー」マシンを持ってプリンストンに引っ越しました。他のほとんどの人も去りましたが、ウィレットは残りました。彼は AT&T の全盛期を思い出すのが好きです。その頃は、今では物性物理学の著名人が広々としたカフェテリアの長いテーブルを埋め尽くしていました。ベル研究所は、過去 1 世紀にわたる基礎物理学における数多くの画期的なブレークスルーの震源地であり、トランジスタ、レーザー、電荷結合素子、UNIX オペレーティング システム、C および C++ プログラミング言語、情報理論自体の発祥の地でもあります。この建物での研究は、7 つのノーベル賞を受賞しています。今日、ウィレットは自分の研究室をほぼ独り占めしており、ほとんど人口のない領域の幸せな王様です。彼は毎日、水晶のキャビネット、ファイファーのガリウム砒素ウエハーに回路を堆積させるために使用する 25 年前のマシン、それらのウエハーを冷却する液体ヘリウムの蒸気タンクの間を行ったり来たりしながら、彼は近づきます。 Bell Labs の画期的な百科事典の歴史に輝かしい新しいエントリを追加することです.
「量子ビットを実現できるようになるでしょう」と彼は言いました。 「基礎となる物理学はそこにあります。これからは技術的な作業になりますが、その部分はうまくいっていると思います。」
もちろん、予期せぬハードルが生じることもあります。あるいは、長期的には、量子コンピューティングへの他のアプローチがデコヒーレンスを食い止めるのに非常にうまくなり、トポロジカルなアプローチがその利点を失う可能性があります。それにもかかわらず、ウィレットの実験が成功した場合、アルカテル・ルーセントや他の研究所や資金提供機関は、5/2 状態の研究を拡大し、トポロジカル キュービットの生産を促進する可能性があります。 「すぐに、100 人がそれに飛びつき、それに取り組み始めることを期待しています」と Das Sarma 氏は言いました。
たとえば、ウィレットは、回路設計を拡張してマルチキュービットアレイを作成するという新しい目標を設定しました。彼は、最終的に機能するトポロジカル量子コンピューターを構築したいと考えています。彼の動機は、そのようなテクノロジーのあらゆる可能な用途から来ているのかと尋ねられたとき、彼は答えられませんでした.しかし、実際にはそうではなかったようです。ウィレットは、目の前にあるものよりも、それまでに起こったすべての勢いに駆られて自分の道を進んでいるように見えた. 「これらのウエハースを作るには、約 40 年の努力が必要です」と彼は言いました。 「すべてこの建物の中にあります。」
