量子コンピューティング産業は、古典的コンピューティングでは解決できない大規模問題を解決できる強力なマシンの構築を目指している。マイクロソフト・クアンタムは量子コンピューティングの進歩を3つのレベルに分類する新しいフレームワークを考案した。
第1レベルは現在のノイズの多い中規模量子コンピューターで約1,000量子ビットで構成される。第2レベルは量子ビットのエラーを検出・修正できる小型マシン、第3レベルは数十万から数百万の量子ビットを含む大規模エラー訂正マシンである。2026年は顧客がレベル2の量子コンピューターを入手できる年なる見込みである。
マイクロソフトはアトム・コンピューティングと協力し、デンマークの輸出投資基金とノボ・ノルディスク財団にエラー訂正量子コンピューターを提供する計画で、このマシンMagneは50論理量子ビットを持ち2027年初頭に稼働予定である。
QuEraは日本の産業技術総合研究所（AIST）に量子コンピュータを提供済みであると報じられている。これらのマシンは中性原子を量子ビットとして使用する。
From: 
Next-Level Quantum Computers Will Almost Be Useful – IEEE Spectrum
【編集部解説】
量子コンピューティングは長年、「10年後には実用化される」と言われ続けてきた技術です。しかし2026年は、その状況が変わる年になるかもしれません。
マイクロソフトが提唱する3段階のフレームワークによると、第1レベルは現在のノイズの多い中規模量子コンピューター、第2レベルはエラー訂正機能を持つ小規模マシン、第3レベルは数十万から数百万の量子ビットを持つ大規模エラー訂正マシンです。2026年に顧客の手に渡るのは、この第2レベルのマシンとなります。
エラー訂正の重要性は、量子ビットの本質的な脆弱性にあります。量子ビットは電場、磁場、機械的振動、さらには宇宙線など、あらゆる環境要因に敏感で、情報を保持し続けることが困難です。古典的なビットであれば単純に情報を繰り返せば良いのですが、量子ビットは複製できないという量子力学の基本原理により、この方法は使えません。
そこで登場するのが「論理量子ビット」という概念です。これは複数の物理的量子ビットを組み合わせて1つの論理的な量子ビットを構成し、エラーを検出・訂正できるようにする技術です。マイクロソフトとアトム・コンピューティングが提供するMagneは、約1,200個の物理的量子ビットから50個の論理量子ビットを構成します。一部報道ではQuEraのマシンは260個の物理的量子ビットから約37個の論理量子ビットを生成するとあります。
2023年、QuEraのチームは、ハーバード大学、MIT、メリーランド大学の研究者と協力して、48個の論理量子ビットを用いたエラー訂正量子コンピューターで大規模アルゴリズムの実行に成功し、論理量子ビットによる演算が物理的量子ビットよりも優れた性能を示すことを実証しました。これは当時の世界記録であり、量子コンピューティングの実用化に向けた重要なマイルストーンとなりました。マイクロソフトとアトム・コンピューティングのチームは2024年に同様の成果を達成しています。
なぜ両社とも「中性原子」という同じアプローチを採用しているのでしょうか。量子コンピューターの量子ビットには、超伝導体、光子、イオン、中性原子など複数の選択肢があり、それぞれに長所と短所があります。中性原子の最大の利点は、原子同士を自由に移動させられることです。超伝導量子ビットのようにチップ上に固定されているわけではないため、任意の2つの原子を隣接させることができます。
中性原子量子コンピューターは真空チャンバー内で、原子ガスを絶対零度近くまで冷却し、光ピンセットと呼ばれる技術で個々の原子を捕捉・保持・移動させます。各原子が1つの物理的量子ビットとなり、2次元または3次元の配列に配置できます。計算は別のレーザーを精密に照射することで実行され、同じレーザーパルスで複数の原子ペアを同時に操作できるという並列性も備えています。
ただし、中性原子の欠点は処理速度です。原子系での計算は超伝導対応物の約100分の1から1,000分の1の速度しかありません。しかしQuEraは、中性原子の特性により50倍から100倍の高速化を実現できると主張しています。各操作は遅いものの、より多くの操作を並列実行でき、エラー訂正に必要な操作が少ないため、全体としては超伝導量子ビットに匹敵する「解決までの時間」を達成できるというのです。
業界全体がこのアプローチに同意しているわけではありません。IBMは2029年まで完全なエラー訂正マシンの開発を待つのではなく、既存のマシンのユースケース開発と他のエラー抑制戦略に注力しています。IBMの見解では、マイクロソフトのフレームワークは「物理デバイス指向」であり、実際に何ができるかという「計算的視点」が必要だというものです。
それでも、中性原子アプローチには明確なスケーラビリティがあります。QuEraとアトム・コンピューティングは、今後数年以内に単一の真空チャンバーに10万個の原子を配置できると予想しており、これは第3レベルの量子コンピューティングへの明確な道筋を示しています。
2026年に登場するこれらのマシンは、まだ商業的な優位性ではなく「科学的優位性」を目指すものです。しかし、量子コンピューティングの歴史において、理論から実用への重要な転換点となる可能性があります。
【用語解説】
量子ビット(キュービット)
量子コンピューターにおける情報の基本単位。古典的なビットが0か1のどちらかの状態しか取れないのに対し、量子ビットは0と1の重ね合わせ状態を取ることができる。この性質により、複数の計算を同時並行で実行できる可能性を持つ。
物理的量子ビット
実際のハードウェアとして実装される量子ビット。環境ノイズの影響を受けやすく、エラーが発生しやすいという特性を持つ。中性原子、超伝導回路、イオンなど、さまざまな物理的実装方法が存在する。
論理量子ビット
複数の物理的量子ビットを組み合わせて構成される、エラー訂正機能を持った量子ビット。物理的量子ビットよりも信頼性が高く、実用的な量子計算に必要とされる。1つの論理量子ビットを構成するには、数十から数百の物理的量子ビットが必要となる。
NISQ(ノイズの多い中規模量子)コンピューター
Noisy Intermediate-Scale Quantumの略。現在主流の量子コンピューターで、約1,000個程度の量子ビットを持つが、エラー率が高く、長時間の計算には適していない。エラー訂正機能を持たないため、実用的な問題解決には限界がある。
光ピンセット(オプティカル・トゥイージング)
高度に集束したレーザービームを使って、微小な粒子や原子を捕捉し、保持し、移動させる技術。中性原子量子コンピューターでは、個々の原子を正確な位置に配置するために使用される。
超伝導量子ビット
超伝導回路を利用した量子ビット。極低温(絶対零度近く)で動作し、非常に高速な演算が可能だが、コヒーレンス時間(量子状態を保持できる時間)が比較的短く、複雑な冷却システムが必要となる。
量子ゲート
量子コンピューターにおける基本的な演算操作。古典的なコンピューターの論理ゲート(ANDゲート、ORゲートなど)に相当するもので、量子ビットの状態を変換する。
リドベリ状態
原子の電子が通常よりもはるかに高いエネルギー準位に励起された状態。この状態では電子が原子核から非常に遠くに位置し、原子同士が強く相互作用できるようになるため、中性原子量子コンピューターにおける量子ゲート操作に利用される。
【参考リンク】
Microsoft Azure Quantum(外部)
マイクロソフトが提供する量子コンピューティングプラットフォーム。量子ハードウェアへのアクセスや開発環境を提供。
Atom Computing(外部)
中性原子を用いた量子コンピューターを開発する米国のスタートアップ企業。マイクロソフトと共同開発を進める。
QuEra Computing(外部)
ハーバード大学とMITの研究をベースに設立された中性原子量子コンピューティング企業。日本のAISTにも納入。
IBM Quantum(外部)
IBMが提供する量子コンピューティングプラットフォーム。超伝導量子ビットを使用したシステムを開発。
Novo Nordisk Foundation(外部)
デンマークの独立系慈善財団。医療、科学分野への投資を行い、量子コンピューターMagneの導入先の一つ。
IEEE Spectrum(外部)
電気電子技術者協会が発行する技術専門誌。最新の科学技術トレンドや研究成果を報じている。
【参考動画】
【参考記事】
Microsoft advances quantum error correction with a family of novel four-dimensional codes(外部)
マイクロソフトの4次元幾何学的エラー訂正コードについての公式発表。エラー率を1,000分の1に削減。
Microsoft and Atom Computing offer a commercial quantum machine with the largest number of entangled logical qubits on record(外部)
2024年11月の記録的成果の発表。24個の論理量子ビットのエンタングルメントに成功。
Japan Advances Quantum Computing With First External QuEra Installation(外部)
QuEra Computingが日本のAISTに中性原子量子コンピューターを納入した詳細記事。
Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays(外部)
2023年12月のNature論文。48個の論理量子ビットを用いた世界記録の実証実験を報告。
QuEra Computing Unveils Roadmap For Advanced Error-Corrected Quantum Computers By 2026 With 100 Logical Qubits(外部)
QuEra Computingの3年間のロードマップ。2026年に100論理量子ビットのシステムを予定。
Harnessing the Power of Neutrality: Comparing Neutral-Atom Quantum Computing With Other Modalities(外部)
中性原子と他の量子コンピューティング方式との比較分析。スケーラビリティの優位性を示す。
Neutral atom quantum computing hardware: performance and end-user perspective(外部)
中性原子量子コンピューティングの技術的詳細と産業ユーザー視点からの評価を行った学術論文。
【編集部後記】
マイクロソフトとアトム・コンピューティング、そしてQuEraが提供する中性原子ベースの量子コンピューターは、エラー訂正機能を搭載した商用マシンとなります。これは単なる技術的進歩ではなく、量子コンピューティングが実験室から実世界へと踏み出す重要な一歩です。
2026年は、量子コンピューティングが「いつか実現する技術」から「今、使える技術」へと移行する年として、歴史に刻まれることになるかもしれません。この歴史的な転換点を、読者のみなさんと共に見届けていければと思います。
