約20年の開発期間を経て、マイクロソフトは制御可能なトポロジカル量子ビットモジュールの設計を開発し、数年以内に100万量子ビットのエラー訂正された量子コンピュータに急速にスケールアップすることを目指しています。理論的には、トポロジカル量子ビットは、信頼性、速度、サイズという3つの望ましい特性をトレードオフなく組み合わせることができるため、最適な量子ビットの形態となりえます。実際には、トポロジカル量子ビットは、これまで理論上の粒子にすぎず、自然界には存在しないマヨラナゼロモード（MZM）を活用する必要があるため、構築が非常に困難でした。トポロジカルアプローチの主な利点は、情報が非局所的な方法で保存されるため、ノイズが状態を乱すことが難しくなることです。言い換えれば、ハードウェアアーキテクチャに誤り保護が組み込まれているため、ハードウェアと組み合わせてより強力な誤り保護を提供するエラー訂正コードを作成しやすくなります。 長年の研究の末、マイクロソフトの開発チームは、アルミニウム、中間層、インジウム-ヒ素ベースの半導体を含むヘテロ構造を使用してこれらのマヨラナを作成するレシピを開発することができました。これらの材料は、分子線エピタキシープロセスを使用して原子単位で層に非常に慎重に堆積され、トポコンダクターと呼ばれる新しい物質形態を作り出します。 このトポコンダクターは非常に低温と磁場下で保持され、その状態は図に示すように細長い量子ドットを使用して読み出すことができます。通常の超伝導体では、電子は常にクーパー対と呼ばれるものを形成します。しかしマヨラナは、デバイスが1つの対を持たない電子が残っている状態になる可能性があるため異なります。マイクロソフトの設計における回路は、量子ドットからマイクロ波信号を反射させ、反射信号の位相シフトを介してキャパシタンスの変化を測定することで、電子の偶数と奇数の違いを感知することができます。マイクロソフトは、彼らの読み出しアプローチが非常に敏感で、10億個と10億1個の電子の違い、つまり偶数か奇数かを区別できると主張しています。 単一の量子ビットを形成するために、図4の左端のレイアウトに示すように、2つのトポコンダクターと中央のアルミニウムワイヤーを組み合わせて「横向きのH」パターンを形成します。量子ビットには、デジタルカッターゲートで制御できる4つのMZMがあります。各量子ビットには4つのMZMが含まれているため、マイクロソフトはこれらのHパターン構造をテトロンと呼んでいます。 設計の追加機能として、電子回路の99%以上がデジタルで、量子ビットチップのすぐ隣に配置されたクライオCMOSチップによって制御されています（図1でチップを見ることができます。緑の背景に灰色に見えるチップです）。制御にデジタル信号を大量に使用することで、超伝導トランズモンで形成される量子ビットの制御に使用される調整されたマイクロ波信号と比較して、デバイスをよりシンプルで信頼性の高いものにすることができます。 これらの量子ビットはそれぞれ10ミクロン×10ミクロンのサイズに収まり、図4に示すようにこれらのテトロンを並べることで大規模なデバイスを形成できます。量子ビットセルのサイズが小さいため、100万個の量子ビットをグラハムクラッカーほどの大きさの面積に配置することができます。上の図1では、中央に量子ビットチップを含む大きな正方形の切り抜き領域と、空白部分に「Majorana 1」という文字が見えます。そのアーキテクチャは、100万個の量子ビットを持つチップがその正方形の切り抜き領域に収まるように設計されています。 トポロジカル量子コンピュータでの計算は、一般的なゲートベース量子コンピューティングではなく、測定ベース量子コンピューティングを使用するため、他のほととんどの量子コンピュータとは異なります。一連の状態測定を実行することで、量子アルゴリズムを実装することができます。研究者たちは、測定ベースのプロセッサがゲートベースのプロセッサができることすべてを実行できることを示しています。下の図5に示すように、X基底測定は2つの垂直方向のMZM間で測定を行うことで実行でき、Z基底測定は2つの水平方向のMZM間で測定を行うことで実行できます。エンタングルメントのための2量子ビット測定は、隣接する量子ビット間で測定を行うことで実行できます。 物理量子ビットのエラーレート目標は10-4です。チームはまだこれを達成していませんが、実現方法の計画を持っています。開始時の物理エラーレートが低いほど、必要な論理量子ビットのエラーレートを満たすエラー訂正コードを構築するのが容易になります。マイクロソフトはHasting-Haahフロケコードと呼ばれるエラー訂正コードを実装しています。エラー訂正コードは基礎となるハードウェアアーキテクチャとよく適合している必要があり、マイクロソフトはこの特定のコードが彼らのトポロジカルプロセッサに最適だと考えています。良質な100万個の物理量子ビットにより、チームは1000個の論理量子ビットを達成できると期待しています。この規模の量子コンピュータは、特定の計算化学アプリケーションにおいて、古典的には実行できない商業的に有用な計算を実行することができます。 したがって、このトポロジカルアプローチが量子コンピューティングのレースで勝利することは確実だとは言えません。開発を完了するまでにはまだ多くのリスクが存在します。新しい、予期せぬ、非常に困難な問題が発生する可能性があります。あるいは、エラーレートや動作速度などの特定の性能目標が不足する可能性もあります。しかし、トポロジカルコンピュータは長年傍観者の立場にあった後、ようやくレースに参入し、他のすべてのソリューションに対して実行可能な競争相手となっています。いずれにせよ、量子コンピューティングは勝者総取りの市場にはならないと予想され、今後数年間で複数のソリューションの余地があるでしょう。 2025年2月19日