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マイクロソフトがMayana 1チップ、世界初のトポロジカルキュービットを発表しました。これはかなり注目を集めていますが、通常の量子コンピューターと違い、マイクロソフトのチップは局所的な原子、イオン、光子の量子状態を使用しません。代わりに、量子情報を表面またはトポロジー全体に保存することで、現在の量子計算を制限しているノイズに耐性を持たせ、実用的でスケーラブルな量子コンピューターを実現する方法を提供する可能性があります。
この画期的な発表の一環として、マイクロソフトは私にブレイクスルーの背後にいる主要チームメンバーへの独占アクセスを提供してくれました。何が起きているのか、そしてこれがどれほど大きな進展なのかを理解するためです。私たちは本質的に新しい物質状態を発明しなければなりませんでした。ただし、ここでの言葉と意見は私自身のものです。
この新しい量子アプローチがどのように機能するのか、なぜそれが潜在的にとても強力なのか、そして私たちにとって何を可能にするのかを理解したいと思います。なぜこれが大きな進展だと思うのか、Mayana 1チップが意味するもの、そして意味しないものを説明したいと思います。また、「Mayana」という言葉が私の読み書き能力に疑問を投げかける理由についても答えが欲しいです。
まずは簡単なことから始めましょう。完全には理解されていない宇宙の法則と、発音の仕方がわからない粒子を使って、不可能なコンピューターを構築する方法です。さあ、始めましょう。
初めて、私たちのコンピューターラボに実際にコンピューターがあります。量子コンピューターは非常に素晴らしいものを約束しています。地球上で最も強力なスーパーコンピューターをも凌駕する計算能力です。これは物質科学、薬品発見、古典コンピューターでは実質的に解決不可能な最適化問題を革命的に変える可能性があります。
しかし、一つ大きな問題があります。ノイズです。今日の量子コンピューターは信じられないほど脆弱です。それらを強力にする量子力学そのものが、制御を難しくしているのです。なぜ量子コンピューターが簡単に壊れるのかを理解するには、キュービット（0、1、またはその中間のどこか）の測定が「見る」ことを含むことを理解する必要があります。光を当てたり、電場や磁場を適用したり、情報を抽出するために何らかの相互作用を使用したりします。しかし測定という行為自体がシステムを乱し、波動関数を「崩壊」させると言います。つまり、0と1の混合状態ではなくなり、どちらか一方に落ち着くのです。
問題は、この観測が計算の途中で起こる場合です。迷子の光子、わずかな温度変動、あるいは原子レベルの振動など、これらのいずれかが早期にキュービット状態を崩壊させる可能性があり、これを「デコヒーレンス」と呼びます。そうなると量子計算は失われてしまいます。
これが、すべての量子コンピューターの周りにSFファンタジーからそのまま出てきたような、非常に光沢のあるセットアップの外側に覆いが見られる理由です。これにはいくつかの目的があります。まず、すべての空気を排出することができる真空チャンバーを作り出し、迷子の原子が量子計算にぶつかって中断しないようにします。また、システムを約50ミリケルビン、つまり絶対零度のわずか0.05度上まで冷却することができます。この温度では原子さえも動きません。比較すると、深宇宙（星間の空間）でさえ2.7ケルビンであり、南極の記録的な最低温度である184ケルビン（マイナス88℃）と比べても、この装置は本当に本当に冷たいのです。
覆いはまた、電磁波、光、携帯電話のアンテナからのRF周波数、磁場や信号など、システムに影響を与える可能性のあるものからもシールドします。すべて量子状態を保存するための試みですが、現時点ではまだ十分ではありません。外部からの準粒子が状態を乱し、一瞬でそれはすべて失われます。すでに50ミリケルビンか何かの超低温で動作していますが、まだデバイスを正常に操作できる領域にはいません。キュービットは依然として非常に繊細で、計算を破壊するエラーを引き起こします。そしてこの問題を解決しない限り、量子コンピューターはその可能性を決して実現しないかもしれません。
ここで「なぜそれらのエラーを修正しないのか」と考えるかもしれません。結局のところ、古典的なコンピューターではエラー訂正が組み込まれています。電気的ノイズによってビットが反転した場合、システム内の冗長性がそれを捕捉して修正します。あるいは少なくとも、マリオでスピード記録を樹立するのに役立ちます。
しかし、量子エラー訂正は完全に異なる課題です。非クローニング定理のため、古典的なビットのようにキュービットをコピーすることはできません。代わりに、量子コンピューターは量子エラー訂正コードと呼ばれるプロセスを使用します。複数の物理的キュービットが協力して、単一のより安定した論理キュービットを形成します。これらのエラー訂正スキームは、今日の主要な量子システム、例えば超伝導キュービットでは、大量の冗長性を必要とします。一つの論理キュービットを安定させるために、何百、あるいは何千もの物理的キュービットが必要かもしれません。
つまり、1000の論理キュービットを持つ完全な量子コンピューターを構築するには、実際には何百万もの物理的キュービットが必要になるでしょう。これは単なる不便さではなく、量子コンピューターをスケールアップする上での根本的な障壁です。有用な量子コンピューターはサッカー場の大きさにならざるを得ないのです。
しかし、ノイズと常に戦うのではなく、ノイズがあまり問題にならないシステムを設計できたらどうでしょうか？冗長性によってではなく、物理学の本質そのものによって量子情報が保護されるシステムです。マイクロソフトのチャヤン・ニャックが私に説明したように、量子力学的波動関数に基づく何かが必要でした。波動関数は通常かなり繊細なので、エラーから保護するための何らかの基本的な剛性を持つ必要がありました。
これがマイクロソフトが根本的に異なるアプローチを取っている理由です。トポロジーは、連続的な変形のもとでも不変または変化しない空間の特性を研究します。確かにそれは少し難解ですので、もっと簡単な例で考えてみましょう。
ロープを取って結び目を作ると、そのロープにいろいろなことができますが、結び目は基本的に同じままです。動かしたり、振ったり、上下に引っ張ったり、少し曲げたりしても、そのロープには基本的に一つの結び目があります。それを切るなど、かなり劇的なことをしない限り（これは私の靴ひもなので実際にはやりませんが）、それを破壊することはできません。
これがトポロジカル量子コンピューティングの背後にある考え方です。量子情報を、そのシステムの基本的なグローバルな特性に織り込むことで、小さなエラーに自然に免疫を持つようになります。私たちがやっていることは根本的に異なります。まず、ハードウェア保護を基礎レベルで組み込むことです。そして量子情報を分散させれば、その情報は外部からのイベントやノイズを見ても、破壊されにくくなります。
しかし、トポロジカル量子コンピューターを実現するためには、計算に対する新しい考え方が必要です。そして量子力学で最も奇妙なオブジェクトの1つ、マヤナ粒子が必要になります。
マヤナ粒子は、世界が世界大戦の瀬戸際にあった時代に量子物理学と核物理学に携わっていたイタリアの物理学者、エットレ・マヤナによって提案されました。彼は当時の最も偉大な頭脳の一人と考えられており、しばしばアインシュタインやディラックに比較されました。しかし、彼は自分の発見を議論する価値があるほど重要ではないと考え、自分の研究を公開することに興味深い躊躇を持っていました。
マヤナは常にペアで見つかると提案されていましたが、他のすべての粒子が反粒子を持つ（電子と陽電子、陽子と反陽子のように、互いに等しく反対の電荷を持ち、接触すると互いに消滅する）のとは異なり、マヤナ粒子はそれ自身の反粒子でもあるという奇妙な特性を持っていました。
奇妙なことに、マヤナはこの仕事についてあまり詳しく説明しませんでした。それは1938年3月、パレルモからナポリ行きの船に乗り、多くの革命的なアイデアを含む論文を持っていたからです。しかし船がナポリに到着したとき、マヤナは乗船していませんでした。彼は単に消え、二度と姿を現すことはありませんでした。おそらく彼は自分自身の反粒子を見つけたのかもしれません。
何十年もの間、物理学者たちは高エネルギー物理学、特にニュートリノでマヤナ粒子を探し、その幽霊のような粒子が自分自身の反粒子であることを証明しようとしました。しかし、ブレイクスルーは高エネルギー物理学からは来ませんでした。代わりに、それは凝縮物質から来ました。
2012年、デルフト大学の研究者たちは、半導体と超伝導層の組み合わせから作られた小さなナノワイヤーにおいて、まさに適切な条件下でマヤナのような振る舞いが突然現れることを示しました。そして「突然現れた」と言いますが、実際にこれを組み立てて動作させることは信じられないほど複雑です。マイクロソフトはこれを正しく行うために過去17年間を費やし、途中には多くの失敗もありました。
私はよく私のチームに言います、これは科学ではなく、科学と芸術だと。なぜなら、ここでの全体的なアイデアは、どのように非常に完璧な結晶構造を構築するかということです。すべての原子が必要な場所に完璧に配置されなければなりません。
これはDomain of Scienceのビデオからの素早いスクリーンショットで、説明の下にリンクを貼っておきます。この素材内の驚くべき原子レベルの精度を示しており、文字通り一つの原子も場所からずれていません。
しかし、この提案されたナノワイヤーは実際にどのように機能するのでしょうか？ワイヤーは他の半導体と同じように、移動電子を含む半導体材料から作られています。これらの電子は自由に移動し、電場ゲートによって制御されて、ワイヤーの内外に移動することができます。
この半導体ナノワイヤーの上に、超伝導体の薄い層が堆積されます。量子計算に必要な50ミリケルビンまでナノワイヤーを冷却することで、超伝導体も超伝導状態に入り、電子がその長さに沿ってゼロ抵抗で移動できるようになります。これはクーパー対、つまり超伝導体内で自由に移動できる電子のペアによって調整されます。
奇妙なのは、これらのクーパー対の一部が下の半導体ナノワイヤーにトンネル効果で侵入し、近接効果と呼ばれるプロセスによって、半導体に超伝導特性の一部を「借りる」ことができることです。
そして強い磁場が適用されると、ナノワイヤー内の電子状態はさらに奇妙なことを行います。それらはナノワイヤーの境界端、つまり両端に存在する2つの別々の量子状態に分裂します。私たちが探し求めていた2つのマヤナ粒子、それぞれが自分自身の反粒子なのです。
これが意味するのは、これらのワイヤー上の電子に関する情報がワイヤーの長さ全体に広がるということです。これは奇妙に聞こえるかもしれませんが、ワイヤー内の各電子がワイヤーの両端に同時に存在するか、あるいはこの端に半分の電子、もう一方の端に半分の電子が存在するというように考えることができます。
マイクロソフトはこれを「2-conductor（ツーコンダクター）」と呼び、新しい物質状態として説明しています。私はこれが概ね公正な表現だと思います。私たちは固体、液体、気体について知っていますが、プラズマ、ボース・アインシュタイン凝縮体、超流体など、約20の物質状態があることも知っておく価値があります。しかし、これは新しい物質状態としての地位を十分に獲得していると思います。
しかし、私の疑問は、これを実際にどのように量子コンピューターにするのかということでした。
キュービットを構築するには、常に2つの区別可能な状態が必要です。光の偏光方向や捕獲されたイオンのスピンを使用できますが、ここでは私たちはナノワイヤー上の電子の数を使用します。ワイヤー全体で、偶数の電子（これを0と呼ぶことができます）または奇数の電子（これを1と呼ぶことができます）があるでしょう。
もし電子が普通のワイヤーに幸せに座っていたら、光子粒子や他の相互作用によって1つが飛ばされたり、別のものが追加されたりして、このシステムのパリティを変更することが十分可能でしょう。これは最終的に波動関数を崩壊させ、計算に対する有用性を壊すでしょう。
しかし、マヤナゼロモードはこの電子情報を変更し、それをワイヤーの長さ全体に分散させるため、もはや個々の電子に局在せず、各電子の情報がワイヤーの全長にわたって広がり、両端に集中します。これは、何らかの外部ノイズがシステムの一端を乱しても、即座に量子状態を破壊しないことを意味します。そしてこれが世界初のトポロジカル量子キュービットを与えてくれます。
あなたは基本的な計算に戻り、これまで捕捉されたことのない粒子、準粒子を使用しています。これによりマヤナベースのキュービットは、小さなエラーに自然に耐性を持ちます。従来の超伝導キュービットや捕獲イオンキュービットとは異なり、それらは安定したままであるために広範なエラー訂正を必要とします。
これが、みんなが非常に興奮している理由であり、マヤナゼロモードがそんなに大きな話題である理由です。もしそれらを使ってキュービットを構築できれば、大規模なエラー訂正のオーバーヘッドが必要ないかもしれません。代わりに、ハードウェア自体が組み込みの障害耐性を提供するでしょう。そして初めて、これらのエラーを修正するためにサッカー場のキュービットが必要ないでしょう。
これまで、量子競争は常に量に関するものでした。システムにいかに多くのキュービットを取り入れるかということです。マイクロソフトはこのレースで遅れを取っていましたが、量に焦点を当てる代わりに、質に力を注いできました。その結果、彼らはこのゲームのルールを変更し、本質的に安定した新しい量子システムを作成しています。そのため、彼らがスケールを開始すると、各キュービットがはるかに重要になります。
私たちはそれを実証しただけでなく、捕捉し、制御し、そして今では繰り返しそれを行うことができ、それからアレイを構築しました。
すべての作業の成果として、マイクロソフトはMayana 1を構築しました。これは8キュービットチップ、つまり概念実証チップであり、彼らは史上初めてこれらのマヤナキュービットを検出、制御、読み出しました。これは、この業界にとっての変曲点になるでしょう。私たちはこれで何をするかについて非常に興奮しています。
これは数の面では大きく聞こえないかもしれませんが、このアーキテクチャーは今や、実際に手に持てるチップ上に大量の安定したキュービットを1つの場所に構築することを現実的にします。はい、それはまだ通常の量子コンピューティングスチームパンクシャンデリアに収まる必要がありますが、これは潜在的に大きな一歩前進です。
したがって、マイクロソフトの次のステップは、このチップを8キュービットから100万キュービットにスケールアップすることです。これは確かに大きな飛躍のように聞こえますが、それがどれくらい時間がかかるかを尋ねたとき、彼らの答えに少し驚きました。
有用な量子コンピューターは何十年も先だと言う人もいますが、私はそれが何年も先だと思います。私たちは機能的な量子コンピューターの可能性が楽観的にも10年、あるいはそれ以上先であることについて話してきました。したがって、数年というのは大きな発表のように思えます。
ジーはこのステップの変化の理由が、彼らがもはや基礎科学の空間にいるのではなく、これがエンジニアリングの問題になりつつあると説明しました。私たちは大きな何かに取り組んでいます。これは本質的にタイムラインを変更します。なぜなら、それがよりエンジニアリングになり、科学を再発明することが少なくなるからです。もはや「これを行うために5つの奇跡を超えなければならない」ということではなく、適切なエンジニアリング、予測可能性、そして私たちの前に非常に明確な目標を設定することについてです。
もし信頼性の高い設計された量子コンピューターがわずか3年先にあるとすれば（ここでも私は少し楽観的ですが）、それは私たちが実際に何をするのかという疑問を投げかけます。クライシスを最大設定で実行できるようになるのでしょうか？いいえ、私たちが実際に何をするのかという疑問です。
あなたが私たちに答えを教えてくれることを望んでいます。何の答えですか？気候変動の解決からがんの治療まで、量子コンピューティングが私たちをどこに連れて行くかについては、いくつかの高邁な野望があります。しかし、これらは長期的な目標かもしれませんが、量子コンピューターが実際に私たちにとってどのように、またなぜ有用なのかについての実用的な説明にあまり出会いません。
そこで、これはマイクロソフトの量子アプリケーションチームの責任者であるネイサン・ベイカーに正確に質問したことです。
簡単な答えは化学です。そして長い答えは、化学で何を違うことをするのか、それがあなたの質問の核心だと思います。量子が私たちに可能にすることは何でしょうか。
化学はすべて変化に関するものです。化学反応は新しい結合を作ったり壊したりすることについてです。そして、反応がどれくらい速く起こるか、つまりそれらの結合を作ったり壊したりするプロセスを考える方法は、エネルギー景観と呼ばれるものを見ることです。化学物質が相互作用し、結合し、または他の材料を破壊する容易さや難しさは、その変化を行うためのエネルギー要件に依存します。これはほぼ丘や障壁のように考えることができ、化学物質がその仕事を行うために乗り越える必要があります。丘が高ければ高いほど、タスクは難しくなりますが、このプロセスの速度も遅くなります。
エネルギー障壁、それらの丘の高さは計算の精度に非常に敏感です。量子力学は難しいのです。人々だけでなく古典的なコンピューターにとっても難しいのです。今日、私たちは古典的なコンピューターで最善を尽くしていますが、大きなシステムでは古典的なコンピューターは追いつけません。私たちは近似を行わなければならず、それが精度に影響します。
従来の知恵、そして多くの研究によって裏付けられた従来の知恵によれば、分子に約23～24の軌道がある場合、つまり電子が分子の周りにいることができる場所がある場合、システムは古典的なコンピューターにとって本当に難しくなります。古典的なコンピューターが解決するには難しすぎます。そして正直に言って、非常に小さなシステムでもその軌道の数に達することができます。
数十年前にノーベル賞を受賞した最も単純な化学反応の一つは、環境中のオゾンと塩素の相互作用です。それを非常に単純にモデル化して古典的なコンピューターに適合させることができますが、システムの完全な複雑さをモデル化したい場合、あなたはすでに古典的なコンピューターで近似を行わなければならない空間にいます。しかし量子コンピューターは非常に自然にそれを解決し始めることができます。
現実は、今私たちがこれらの化学反応のいくつかをモデル化しようとするとき、精度が数千倍も違うことがあり、それは新しい有用な化学物質や触媒を予測するのに多くの推測と確認が関わることを意味します。
例えば、化学物質が環境でどうなるかを理解しようとしているとします。それが環境に入ると、酸素、オゾン、環境中の他のものと反応し始めます。そしてその反応の速度はそれらのエネルギー障壁によって決まります。そのエネルギー障壁のわずかな誤差が、すぐに消えてなくなる化学物質と永遠の化学物質の違いになります。
しかし量子コンピューターを使えばそれが変わります。量子コンピューターは量子スケールで化学物質を予測しモデル化することを可能にし、電子がどのように相互作用しているか、そして触媒作用または反応させるために必要なエネルギー要件を正確に決定します。
もし私たちの近似を量子コンピューターに移すことができれば、私たちが行っている計算で初めて正しくなる能力を与えてくれるかもしれません。確実に機能する化学物質を発見する可能性があります。そして大きな可能性として、私たちは新しい量子時代の境界にいます。今こそ、この新しい量子宇宙に尋ねたい質問について本当に考え始める時です。
しかし、あまり前のめりになる前に、論争について話しましょう。すべての新しいブレイクスルーには常に論争があります。それが当然であろうとなかろうと。そして私はここで完全な話を伝えるために、これに簡単に触れたいと思います。
これが興奮するように聞こえても、すべての人が納得しているわけではありません。そしてその懐疑論は単なる膝反射的な反応ではありません。それは量子コンピューティングの歴史に組み込まれています。マイクロソフト自体が2018年に注目を集める論文を発表し、システム内でマヤナゼロモードを観察したと主張しました。しかし2021年に、独立した研究者たちがデータ分析に欠陥を見つけ、論文は撤回されました。これは大きな後退でしたが、マイクロソフトだけが経験したことではありません。業界全体で、予期せぬ複雑さに続く大きな飛躍を見てきました。
今回、マイクロソフトは過去の問題に対処し、Mayana 1チップでマヤナゼロモードが形成される新しい証拠があると言っています。彼らの新しい論文は、これらの以前の誤解釈を克服し、スケーラブルな量子コンピューターへの最も明確な道を提示していると彼らが説明するものを提示しています。
しかし、一部の物理学者は納得していません。懸念は科学論文と行われた公の主張との間の断絶です。物理学コミュニティを興奮させている最も物理学コミュニティを興奮させている最も明らかなものは、最近発表されたネイチャー論文が実際にはトポロジカルキュービットの経験的証拠を提供していないということです。編集者たちは珍しく論文の冒頭でこれを強調し、この省略はキュービットの実用的な実行可能性と計算タスクを評価するために不可欠なコヒーレンス時間のような測定が欠けているという点で議論の的になっています。
スコット・アーロンソンのブログでのチャヤンのコメントでは、マイクロソフトのネイチャー論文は約1年前の2024年3月に提出され、今月になって初めて公開されたと説明しています。そしてマイクロソフトはその間に大きな進展を遂げており、その結果は最近の会議で議論され、今回はパリティ測定とキュービット機能を示しているとのことです。この研究はまた、発表前にStation Qで発表され、今後のAPS会議でも講演が予定されています。
一歩下がって、これらの種類のブレイクスルーに特に投資しているiRonアドベンチャーキャピタルファンドのハットを被っている私としては、この発表の大きさとネイチャー論文のタイミングが完全に一致していないことに関して、赤い旗が私の心に浮かびます。しかし、論文発表は非常に遅い活動であり、報告したいニュースと必ずしも一致するわけではありません。ベンチャーとして、その懐疑論は健全なものです。それが科学です。しかし、その興奮も同様です。
もしマイクロソフトが私たちが今まで見たどのようなものよりも指数関数的に堅牢なキュービットを作る方法を見つけたと正しいのであれば、それは科学だけでなく人類の歴史の中で最も刺激的なブレイクスルーの一つです。そして私にとって、科学は人類の特徴を定義するものです。
私たちは自分たちをユニークだと考えたがります。知性の頂点、道具を使う唯一の生き物、芸術を作り出し、言語でコミュニケーションを取り、社会を築く存在だと。しかし、私たちはチンパンジーが槍を作り、カラスが餌を釣るためのフックを作るのを見てきました。バッファローが移動方向について投票するのを見たり、イルカが互いを名前で呼び合うのも見ています。
しかし、宇宙に対する私たちの唯一の反抗の行為が残っています。他のどの生き物も、現実を理解するための装置を考案し、見えないものを見て、触れられないものに触れることはしません。私たちは宇宙の限界に挑戦する意欲、宇宙の深い混沌とした複雑さを見て「それは不可能に思える、私たちはそれができるだろう」とささやく意欲によって定義されています。私にとって、それは常に祝うに値するものです。
このビデオが気に入ったら、下にいいねやコメントを残してください。チャンネルメンバーには、ジーリー、チャヤン、ネイサンとのフルインタビューを公開します。これらはすべて非常に興味深いです。この素晴らしいストーリーを伝える機会とアクセスを提供してくれたマイクロソフトに感謝します。科学技術のブレイクスルーが好きなら、もっと見るためにフォローしてください。それまでは、来週お会いしましょう。さようなら。
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