超伝導量子ビットとイオントラップ量子ビットの違い：仕組み・動作環境・ゲートの速さ・コヒーレンス・つながり方を比較

どんなときに使うか

超伝導量子ビット

ゲートの速さを生かして、多くの回路を短い時間で実行したいとき。半導体の製造技術を使えるので、チップの上に多数の量子ビットを並べやすい方式です。

イオントラップ量子ビット

長いコヒーレンス時間と、量子ビットどうしを自由につなげる性質を生かしたいとき。1回のゲートは遅いものの、量子ビットどうしの結合が多い回路を、つなぎかえの操作なしで実行しやすい方式です。

理解度チェック

1. 超伝導量子ビットの読み出しに広く使われる分散読み出しの仕組みとして、正しいものはどれか。
2. イオントラップ方式の量子コンピュータの特徴として正しいものはどれか。
3. 超伝導方式とイオントラップ方式を比べた説明として、最も適切なものはどれか。

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関連する用語の解説

量子ビット

量子コンピュータで情報を表す単位。|0⟩と|1⟩の重ね合わせ α|0⟩ + β|1⟩ の状態をとることができ、測定すると確率 |α|² で0、|β|² で1が得られる。超伝導回路、イオン、中性原子、シリコン中の電子のスピン、光子などで実現される。

トランズモン

ジョセフソン接合とキャパシタを組み合わせた超伝導量子ビット。周波数は一般に数 GHz で、接合の非線形性によってエネルギー準位の間隔が不等間隔になり、最も低い2つの準位を量子ビットとして使う。電荷の雑音の影響を受けにくくした設計で、超伝導方式で広く使われている。

ジョセフソン接合

2つの超伝導体で、厚さ1〜2 nm 程度の薄い絶縁膜などを挟んだ構造。電圧を生じずに超伝導電流が流れ、損失のない非線形なインダクタとして働く。超伝導量子ビットや、超高感度の磁気センサ(SQUID)、電圧標準などに使われる。量子ビットでは、アルミニウムとその酸化膜で作るのが一般的。

希釈冷凍機

ヘリウム3とヘリウム4の混合液を使い、10 mK 程度の極低温を連続して作り出す冷凍機。超伝導量子ビットやシリコンのスピン量子ビットの動作に使われる。最も冷たい段の冷却能力は十数〜数十 µW 程度と小さいので、配線からの熱の流入が大規模化の課題になる。

イオントラップ

電場などでイオンを真空中に捕らえておく装置、またはそれを使う量子コンピュータの方式。イオンの電子のエネルギー準位を量子ビットにし、レーザーやマイクロ波で操作する。量子ビットがすべて同一でコヒーレンス時間が長く、忠実度が高い一方、ゲートは超伝導方式より遅い。

デコヒーレンス

量子ビットが周囲の環境と相互作用することで、重ね合わせの位相やエネルギーの情報が失われ、量子的な性質が壊れていく現象。エネルギー緩和時間 T1 と位相緩和時間 T2 でその速さを表す。

量子ゲート

量子ビットの状態を変える基本操作。X(ビット反転)、Z(位相反転)、H(アダマール)などの1量子ビットゲートと、CNOT などの2量子ビットゲートがあり、ブロッホ球の上では回転として表せる。超伝導量子ビットではマイクロ波のパルス、イオンや中性原子ではレーザーなどで実現する。

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