シリコンで実現「原子の通話」！量子コンピューター実用化へ、日本も貢献

私たちの周りにはスマートフォンやパソコンなど、たくさんの電子機器があふれています。これらはすべて、目に見えないほど小さな部品の集まりです。もし、この部品の一つひとつが、まるで電話のように「会話」を始めたら、どんな未来が待っているのでしょうか？

最近、オーストラリアの研究チームが、まさに個々の原子が電話で話すかのように、これまでになかった方法で「会話」させることに成功した、と発表しました。これは、現在のコンピューターの限界を超える「量子コンピューター」の実現を大きく前進させる成果です。

SciTechDailyで報じられた「原子が電話のように「会話」、量子技術の新たなブレークスルー」をもとに、この技術がどのようにして実現され、私たちの未来に何をもたらすのかを分かりやすく解説します。

原子同士の「会話」を実現した新技術

「量子コンピューター」という言葉を聞いたことがあるでしょうか。これは、現在のコンピューターでは解決が難しい複雑な問題を、驚異的な速さで解くことができる次世代のコンピューターです。

今回の研究では、シリコンチップに埋め込まれたリン原子の原子核が持つ「核スピン」という性質が利用されました。核スピンは、量子コンピューターが情報を扱うための基本単位（量子ビット）として、非常に安定している理想的な候補です。そして研究チームは、これまで極めて困難とされてきた、離れた場所にある原子核スピン同士を連携させる「量子もつれ状態」にすることに世界で初めて成功しました。

量子もつれ状態とは、2つ以上の量子が、どれだけ離れていても運命を共にするかのように、片方の状態が決まるともう一方の状態も瞬時に確定するという、量子力学ならではの不思議な現象です。この性質を巧みに利用することで、量子コンピューターは従来のコンピューターとは比較にならないほどの計算能力を発揮すると期待されています。

量子連携の仕組み：「遮断された部屋」から「電話」へ

これまでの研究では、原子核スピン同士を連携させるには、互いを非常に近づける必要がありました。これは、まるで「音を完全に遮断した部屋」に数人だけを集めて、ひそひそ話をするようなものです。外部からの邪魔は入りませんが、多くの人と情報をやり取りしたり、遠くの人と話したりすることはできません。

この限界を打ち破ったのが、電子を「電話」のように使うという新しいアイデアでした。研究チームは、それぞれの原子核に電子を1つずつ関連付け、その電子同士を空間的に重ね合わせることで、原子核が直接触れ合うことなく「会話」できる仕組みを考案したのです。

この方法により、原子核同士が20ナノメートル（髪の毛の太さの約1000分の1）も離れていても、情報のやり取りが可能になりました。そして何より重要なのは、この距離や構造が、現在のスマートフォンやパソコンに搭載されている半導体チップの製造技術と、ほぼ同じスケールであるという点です。つまり、既存の技術を応用して、量子コンピューターの心臓部を大規模に製造できる可能性が示されたのです。

日本の貢献と量子コンピューターが拓く未来

この画期的な研究はオーストラリアの大学が主導しましたが、実は日本の研究機関も大きく貢献しています。研究に不可欠だった「超高純度シリコン基板」を供給したのは、慶應義塾大学の研究チームです。この極めて純度の高い材料がなければ、原子レベルでの精密な制御は不可能でした。国境を越えた協力が、最先端の科学を支えているのです。

では、量子コンピューターが実用化されると、私たちの社会はどう変わるのでしょうか。