2018 年、ジャーナル Nature で発表された、量子コンピューターを構築するためのまったく新しいアプローチの最前線にいる研究者 、画期的な成果のように見えました。既存の量子コンピューターは壊れやすいことで知られており、その量子ビット (キュービット) はランダム エラーを起こしやすい傾向があります。しかし、マヨラナ ゼロモード (MZM) 準粒子という風変わりな名前の電子の奇妙な構成からキュービットを作成できれば、エラーはまったく発生しません。 MZM キュービットは、チェーンのリンクを切断せずに分離できるのと同じように、ランダム エラーに苦しむことはありません — トポロジーの基本原理、形状の数学がそれを防ぎます。
これらの「トポロジカル」キュービットを構築するのは非常に困難ですが、技術的な課題があるにもかかわらず、一部の研究者は、数百または数千のキュービットを備えた有用な量子コンピューターを構築する唯一の道であると確信しています。たとえば、Microsoft は、主要な量子コンピューティング戦略をトポロジカル キュービットに賭けています。
これが、2018 年の Nature が選ばれた理由の 1 つです。 紙は非常に注目を集めました。オランダのデルフト工科大学の物理学者である Leo Kouwenhoven が率いるチームは、アンチモン化インジウム ナノワイヤで MZM 準粒子の決定的な特徴を発見したと述べました。彼らの論文は、トポロジカル量子コンピューティングの黎明として、多くの報道ファンファーレで予告されました。 2019 年、Microsoft はデルフト キャンパスに独自の量子研究所を開設し、Kouwenhoven を所長に迎えました。
その後、物事はバラバラになり始めました。その年の後半、ピッツバーグ大学の物理学者である Sergey Frolov と、彼の共同研究者であるオーストラリアのニューサウスウェールズ大学の Vincent Mourik は、それぞれの研究室で同様の研究を行っていました。 (Frolov と Mourik はどちらも、Kouwenhoven のグループの元メンバーです。) Frolov と Mourik は、デルフトの結果を再現できないことに気付きました。その 10 月に 2 人はコウウェンホーフェンのグループに生データを求め、12 月にはいくつかの奇妙な矛盾を発見しました。
これらの問題に直面して、Kouwenhoven のグループはデータを再プロットし、結論がもはや成り立たないことを発見しました。 2021 年 3 月、Kouwenhoven の要請により、Nature 論文を撤回しました。グループは撤回の中で、「量子化されたマヨラナコンダクタンスの観察をもはや主張できない」と書いています。彼らは、「元の原稿の科学的厳密さが不十分だったことについて」謝罪を加えました。
この事件により、独立委員会による調査が行われました。調査の結果、不正なデータの捏造または改ざんの証拠はないと結論付けられました。著者たちは、彼らが見たいものを示した結果だけにズームインすることで、自分自身をだましました。 「著者が着手した研究プログラムは、自己欺瞞に対して特に脆弱であり、著者はこれに対して警戒していませんでした」とレポートの著者は書いています.
マサチューセッツ工科大学の物理学者で委員会のメンバーであるパトリック・リーは、「それは不注意と熱意が組み合わさった不幸な出来事でした。」
この撤回は、詳細な調査によってバラバラになった関連研究の最近の注目を集めた例とともに、トポロジカル量子コンピューティング研究の中心にある追加の課題を明らかにしました。 1つを見つける方法も確かです。 MZM準粒子につながる量子規則は、他の奇妙な量子状態の作成も可能にします — マヨラナ粒子を模倣するが、量子コンピューターの基礎として使用することはできません.
これらのハードルやその他のハードルにより、トポロジカル量子コンピューティングの分野は、完全な危機ではないにしても、反省の時期に入っています。 「一連の誤ったスタートの後、マヨラナ フィールドのかなりの部分が自分自身をだましているのではないかと懸念するようになりました」と Frolov は Nature の解説に書いています。 4月中。しかし、この問題にもかかわらず、この分野の批評家でさえ、科学は有望すぎて無視できないと考えています。 「Majoranas の作成の背後にある物理学は、理論的にはよく理解されています」と Frolov 氏はオンライン ディスカッションで述べました。 「通常、物性物理学でそれが起こるとき、物理的な実現はそれほど遅れていません。今後数年以内に、1つまたは複数のグループがそれらの強力な証拠を見つけると確信しています。」
ペアの力
マヨラナ ゼロ モードは、導電性材料内の電子が、異なる電荷、質量、移動度、および集合的挙動を持つ、さまざまな種類の粒子になりすます方法を例示しています。ニールス ボーア研究所の物理学者であり、コペンハーゲンのマイクロソフト量子研究所所長であるチャーリー マーカス氏は、それらは「電子から作られた創発的な有効粒子」であると述べています。それはむしろ、経済活動を、企業を構成する人々ではなく、企業全体の相互作用として説明する方法に似ています.
おそらく、電子準粒子の最もよく知られている例は、超伝導の原因となるものであり、非常に低い温度で一部の金属やその他の材料がゼロ抵抗で電気を伝導します。最も単純な超伝導状態では、電子はいわゆるクーパー対準粒子として対になっているように見えます。それらは空間で広く離れているかもしれませんが、クーパー対の電子は、物質の中を移動するときに単一の粒子のように振る舞います。このペアリングには重大な結果があります。クーパーペアはすべて、準粒子がジャンプできないエネルギーギャップによって次の状態から分離された、同じ最低エネルギーの量子状態を占めることができます。その結果、クーパー対は材料の結晶格子内の原子との衝突によって異なる量子状態に簡単に散乱することができないため、抵抗なく移動します。準粒子は、散乱から保護された電子でできていると言うかもしれません.
MZM は、異なる種類の電子準粒子です。それらは、電子が異なる方法で対になるときにエネルギーギャップを持つ半導体などの材料に現れると予測されています。 2000 年代初頭に物理学者のアレクセイ キタエフによって最初に提案された、この挙動を示すと予測された最も単純なシステムの 1 つは、電子の 1 次元鎖です。非常に低い温度では、電子は隣の電子とペアになって超伝導になることができます。しかし、鎖の両端にある電子はパートナーの半分しか持っていません。それらは、空間で広く分離された、単一の準粒子の 2 つの半分になります。この準粒子は、エネルギー ギャップの真ん中、正確にゼロ エネルギーで存在すると考えることができます。したがって、「ゼロ モード」です。
ゼロモード準粒子に関する重要な点は、それぞれが両端の電子状態で構成されていることです。そのため、一方の端だけを調べただけでは、それについて何かを見つけたり、邪魔したりすることはできません。 2 つの最終状態が何らかの方法で宇宙で一緒にされることができれば、それらは融合して電子を生成するか、何も生成しないか、つまり真空状態になります。それらは分離されていますが、両方の状態の一種の量子重ね合わせにあります。したがって、MZM は、量子情報をエンコードするための 2 状態ビット、つまりキュービットとして機能できます。
MZM 準粒子の 2 つの半分が融合して何もない状態 (空の真空) になることが、その名前の説明になっています。この自己消滅は、粒子と反粒子のペアの場合と似ていますが、ペアの両方のメンバーが同一である点が異なります。それ自体が反粒子である仮説上の基本粒子は、1937 年にローマのエンリコ フェルミのグループで働いていたイタリアの物理学者 Ettore Majorana によって可能性として提案されました。そのような粒子はこれまでに見られませんでした。 MZM はそれらの準粒子に相当するものであり、高エネルギー物理学で見られたり提案されたりした粒子の挙動が、量子法則によって支配される物質でどのように現れているかを示しています。
問題は、誰も MZM キュービットを作成したことがないだけでなく、MZM 準粒子が 1 つでも存在することを説得力を持って示した人がいないことです。
脱出アーティスト
ナノワイヤ内のマヨラナの最初の目撃報告は、2012 年にデルフトのコウウェンホーフェンのチームからもたらされました。振り返ってみると、これは、とらえどころのない準粒子の明確な証拠を確立することがいかに難しいかを示す初期の兆候でした。
MZM を探すために、研究者は通常、超伝導体に接続された半導体材料で作られたナノスケール ワイヤに電圧を印加します。彼らは、ワイヤーを通るコンダクタンスを注意深くプロットします。 MZM が含まれている場合、電圧が変化すると、コンダクタンスは離散的な量子化されたステップで上昇し、正確にゼロ電圧 (ゼロ モードに対応するエネルギー) でピークに達するはずです。
Kouwenhoven の 2012 年の論文は、彼らがこの「ゼロ バイアス ピーク」を発見したことを報告しましたが、他の研究者はすぐに、信号がマヨラナに固有のものではないことを心配し始めました。たとえば、現在マドリッド自治大学の物理学者であるエドゥアルド・リーとその同僚たちは、2013 年に、MZM が存在すると考えられているエネルギーギャップで、アンドレーエフ束縛状態 (ABS) として知られているものによって、そのような信号が模倣される可能性があることを示しました。座る。そして今年初め、オーストリアのクロスターノイブルクにある科学技術研究所のマルコ・ヴァレンティーニとその同僚は、デルフトでの実験と同様の実験を繰り返し、このシステムが Yu-Shiba と呼ばれる特定の種類の ABS によるバイアスのないピークを示すことを示しました。 -ルシノフ状態 — ゼロ エネルギーでも現れる準粒子ですが、トポロジカル キュービットの作成には使用できません。
このような誤検知は、この分野に付きまとうものです。 Kouwenhoven の撤回された 2018 年の論文に加えて、懐疑論者は、主張されている MZM の目撃例が再現されていない他の例を指摘しています。 2020 年 3 月、マーカスと同僚は Science で証拠を報告しました。 著者らは、「マヨラナ ゼロ モードの出現と一致する」と述べています。しかしその後、2021 年 7 月下旬に、この研究で使用されたデータが完全に代表的なものであったかどうかについて、ジャーナルは「懸念の編集上の表明」を発表しました。ニールス ボーア研究所は、この研究に対する独立した調査を開始しました。マーカスと彼の同僚は元の論文の後ろに立っています.
フロロフのような批評家によると、問題は、見られる信号を生成するためにマヨラナ粒子が必要ないことです。 「それでも、別の説明に言及することさえせずに、肯定的な論文が出続けました」と彼は Nature に書いています。 批評。 (フロロフは、この記事のためにインタビューを受ける複数の要求を断りました。) 彼は、研究者が自分のデータを勝手に選んでいると非難し、データを共有することについてもっとオープンになるよう求めています。彼は、マヨラナの 5 つの診断サインを特定しました。 2012 年以降の目撃情報を主張する論文のほとんどは、これらのうちの 1 つまたは 2 つだけを示していると彼は言いましたが、すべてを示しているものはありません.
しかし、本当の問題は時期尚早の主張ではなく、検証の難しさにある、とマーカスは主張します。マーカスは、マヨラナが存在するかどうかを確認するために可能な限り最善の実験を行いたいと考えていますが、「証明されたと言う日はありません」。彼は言った。 「それは実験物理学が機能する方法ではありません。 「私は何か別のことを考えました！すべてのマヨラナ テストに合格するわけではありません!』 それは永遠に続きます。」
問題は次のようになります:確実に存在するとは言えないものから、どのようにして量子コンピューターを構築するのでしょうか?
編組情報
量子コンピューティングの鍵は、計算中に量子ビットがエンコードする情報を明らかにしないようにする必要があることです。ビットを見て、それが 1 または 0 を保持していると言った場合、それは単に古典的なビットになります。そのため、意図せずに値を明らかにする可能性のあるものから量子ビットを保護する必要があります。 (より厳密には、それらの値を決定します。量子力学では、値が測定されたときにのみ発生します。)そのような情報が環境に漏れないようにする必要があります。
その漏れは、量子デコヒーレンスと呼ばれるプロセスに対応しています。目的は、デコヒーレンスが発生する前に量子コンピューティングを実行することです。これは、計算を破壊するランダム エラーで量子ビットが破損するためです。
現在の量子コンピューターは通常、量子ビットを環境から可能な限り分離することにより、デコヒーレンスを抑制します。問題は、キュービットの数が増加するにつれて、この分離を維持することが非常に難しくなることです。デコヒーレンスが必ず発生し、エラーが忍び込みます。そのため、IBM や Google などによって作られた既存の量子コンピューターは、スケールアップしてスケールアップします。テキサス大学オースティン校のコンピューター科学者で量子理論家の Scott Aaronson は、大規模なシステムに「明らかに膨大な量のアクティブ エラー訂正が必要になる」と述べています。これを行うための現在の提案では、膨大な数の「物理量子ビット」を、エラー修正機能を備えた単一の「論理量子ビット」に接続する必要があります。一部の見積もりでは、論理キュービットごとに数百または数千の物理キュービットが必要であることが示唆されています。これは、目まぐるしい技術的課題です。
Kitaev は、マヨラナ準粒子は、電子鎖の両端にある 2 つの半分をごちゃ混ぜにして、各対の末端状態にエンコードされた情報を完全に隠しておくことができる場合、エラー (つまり、デコヒーレンス) に対して耐性を持たせることができることに気付きました。うっかり環境に漏れてデコヒーレンスを引き起こすことはありません。この寄せ集めは、粒子の軌跡 (タイムラインの「糸」) を織り合わせるため、編組と呼ばれます。
編組の仕組みは次のとおりです。 2 つのマヨラナ準粒子を一緒にすると、電子または真空状態に崩壊します。それが起こると、彼らが何であるかがわかります — 彼らの情報が明らかになります.しかしここで、多くのマヨラナ モードのペアがスクエア ダンスのカップルのようにシャッフルされ、適切な社会的距離を維持しながら常にパートナーを変えているとします。ダンスが続く限り、マーカスは次のように説明します。事実上、ブレイドによって、マヨラナ ペアの情報がいずれのペアにもローカライズされなくなり、非ローカルになることが保証されます。それらの 1 つを尋問しても、それを明らかにすることはできません。
「お互いに距離を置き、パートナーを変える限り、ゲームは続く」とマーカスは語った。 「キタエフの天才は、情報が非ローカルに保存されている場合、ローカル測定では情報が明らかにならないと言うことでした.これは、これが非常に優れた量子ビットであることを予測しています」 — 編組のトポロジー的性質によってエラーの発生から保護されているためです.
このような MZM キュービットを使用して量子計算を実行するには、編みこみのスレッドを特定の方法で移動させ、ペアをまとめて、それらが融合して電子または真空を形成するかどうかを確認します。これが読み取り値です。それが正しい方法で行われた場合、計算はエラーなしで実行されます。
MZM を使用したこのようなエラー耐性のあるトポロジカル量子コンピューティングは、「挑戦的な方法ですが、不可能な方法ではありません」と Lee 氏は述べています。 「Microsoft はこの賭けに出たが、[しかし] 取るに値するものだと思う。」
また、物理学者が MZM 準粒子の存在を確認するのに信じられないほど苦労しているのであれば、おそらくそのステップをやめるべきでしょう。最終的に、実験者はすべての抜け穴を塞ごうとするのをやめて、システムを組み上げて、堅牢なキュービットが出現するかどうかを確認する必要があるかもしれないと、マーカスは考えています。結局のところ、それが優れたキュービットである限り、それが MZM であろうと他の準粒子であろうと誰が気にするでしょうか?
実際、他の準粒子をキュービットとして使用する提案もすでにあります。たとえば、カリフォルニア工科大学の Christina Psaroudaki とシンガポールの Nanyang Technological University の Christos Panagopoulos は、スキルミオン (磁性材料のスピンの向きの渦のようなパターン) が、トポロジー的に保護された量子をエンコードおよび操作する別の方法を提供する可能性があることを示唆しています。
「MZM を見つけることの難しさ、またはより一般的にはトポロジカル量子コンピューティングの最も基本的なビルディング ブロックをラボで機能させることの難しさは、この分野の多くの人々にとって明らかに失望でした」と Aaronson 氏は述べていますが、希望は生き残っています。彼は、「遅かれ早かれ」発見されるだろうと確信しています。 MZM シグネチャが他の準粒子と間違われる可能性があることを示したにもかかわらず、Valentini は同意します。 「MZM が作成され、検出されると強く信じています」と彼は言いました。
しかし、Aaronson 氏は、「これがより広い範囲で量子コンピューティングへの実行可能なアプローチであるかどうか、また、競合するアプローチに勝つかどうかは、まだ誰にもわからない」と付け加えています。
2018 年初頭、Nature 運命にあるトポロジカル コンピューティングの論文を発表したトッド ホルムダール (当時、マイクロソフトの量子コンピューティングの取り組みを担当していたマイクロソフトの副社長) は、年末までに実用的なトポロジカル キュービットと、その技術に基づく商用の量子コンピューターを 5 年以内に開発すると予測しました。年の時間。これらの予測は今ではとてつもなく楽観的であるように見えますが、過去 10 年間に量子コンピューティングに付随してきた広範な誇大宣伝を反映しています。量子コンピューターへのより伝統的なアプローチは、ある程度の成功を収めてきましたが、スケールアップには依然として大きな課題に直面しています。長い間約束されてきた量子の未来への最善の道は依然として不明です。
イスラエルのレホヴォトにあるワイツマン科学研究所のアディ・スターン氏は、「唯一の方法がすでにわかっている今、物理学界が決定を下すのは無責任です」と述べています。 「私たちはスリラーの 10 ページ目にいて、それがどのように終わるかを推測しようとしています。」
訂正: 2021 年 9 月 30 日
この記事の元のバージョンの一部のキャプションでは、写真を提供した科学者が、写真が撮影された研究室のリーダーであると誤認していました。ナノワイヤーはマルコ・バレンティーニの研究室から来たと言われていましたが、バレンティーニはゲオルギオス・カツァロスの研究室の研究者です。さらに、パトリック・リーの研究室で特定されたデバイスは、実際にはリーと提携していたジャガディーシュ・S・ムーデラの研究室にありました。 Quanta はエラーを後悔しています。
説明: 2021 年 10 月 7 日
この記事は、Frolov がこの記事のインタビューを拒否したことを明確にするために更新されました。
