10個の原子から10本の光路へ
量子コンピュータを「つなぐ」

量子コンピュータを大きくする方法は、一台を巨大化することだけではない。小さな量子プロセッサをいくつも並べ、量子情報を保ったまま光で結ぶ。大阪大学などの研究グループが今回実証したのは、その「つなぐ部分」を10本同時に動かす技術だ。数マイクロメートル間隔に並べた10個のルビジウム87原子から光子を取り出し、10本の集積光導波路へ対応させ、それぞれ別の光ファイバーへ送り、超伝導光子検出器で並列に検出した。

量子ビットを増やすだけでは、誤り耐性には届かない

量子コンピュータでは、量子ビットの状態が環境ノイズや制御誤差で壊れやすい。実用的な長時間計算には、複数の物理量子ビットを使って論理量子ビットを作り、誤りを検出・訂正し続ける「誤り耐性型量子計算」が必要になる。

JSTのムーンショット目標6は、2050年までに誤り耐性型汎用量子コンピュータを実現することを掲げる。山本俊教授がプロジェクトマネージャーを務める「誤り耐性ネットワーク型量子コンピュータ」では、必要規模を100万量子ビット級と見据える。単一チップや単一原子アレイに100万個をすべて載せるのが難しいなら、複数のモジュールを量子的に接続するという発想が出てくる。

ここで必要なのは普通のLANケーブルではない。量子プロセッサAの量子ビットと、遠くの量子プロセッサBの量子ビットの間に量子もつれを作り、その状態を計算資源として使う。光子はその情報を運ぶ有力な媒体だが、一つの原子から一つの光子を取り出すだけでは接続速度が足りない。多数の原子から並列に光子を取り出し、別々の光路へ高い確率で送る必要がある。

中性原子量子コンピュータとは何か

今回の実験で使ったのは、電荷を持たない中性原子である。具体的にはルビジウム87原子を真空中で冷却し、「光ピンセット」と呼ばれる強く集光したレーザー光で一個ずつ捕まえて並べる。各原子の内部状態を量子ビットとして使い、レーザーやマイクロ波で操作する。

中性原子方式の強みは、同じ元素の原子が本質的に同一であること、光学系を使って二次元・三次元の規則的な配列を作りやすいこと、原子を動かして再配置できることにある。2025年にはCaltechの研究グループが、約1万2,000個の光ピンセットサイトに6,100個を超える原子量子ビットを捕獲し、高いコヒーレンスと読み出し性能を示した。世界的に「数千原子」の物理スケールは現実になり始めている。

しかし、数千個の原子が存在することと、それらで大規模な誤り耐性計算ができることは同じではない。量子ゲートの精度、読み出し、原子損失、誤り訂正、そしてプロセッサ間通信が必要になる。今回の大阪大学の研究は、その最後の「プロセッサをつなぐ」部分を担当する。

7.5マイクロメートルの原子列を、25マイクロメートルの光導波路へ写す

実験では、真空セル内に10個のルビジウム87原子を一次元に並べた。原子間隔は約7.5マイクロメートル。捕獲には852nmレーザーによるホログラフィック光ピンセットを用い、各原子から780nmの光子を発生させた。

問題は、原子の列と光回路の列の「ピッチ」が違うことだった。使用したガラス基板の集積光導波路アレイは32チャンネルで、入力側の導波路間隔は25マイクロメートル。研究チームは高NA対物レンズを含む光学系で原子像を約3.33倍に拡大し、7.5マイクロメートルの原子間隔を25マイクロメートルの導波路間隔へ合わせた。

原子の位置も固定ではない。空間光変調器で作る光ピンセットをわずかに動かし、各原子から出る蛍光が対応する導波路へ最も多く入る位置を探索した。10サイトすべてについて三次元の位置合わせを行い、原子1個と導波路1本を一対一で対応させた。

10本を同時に通しても、隣のチャンネルへほとんど漏れなかった

集積光導波路の出力側は32本の光ファイバーアレイへ接続されている。今回使ったのは近接する10チャンネル。原子0から光子を出せば導波路0へ、原子1なら導波路1へ、という形で10本を並列に配送した。

論文では、他サイトの原子から対応しない導波路へ入るクロストークは、正しいチャンネルの信号に対してすべて-20dB未満だった。これは不要な漏れ信号が、強度比でおおむね1%未満の水準であることを示す。量子ネットワークでは、どの原子から来た光子かを間違えると量子状態の対応関係が崩れるため、チャンネル分離は単なる配線品質ではなく量子情報そのものの品質に関わる。

一方、原子から導波路へ実際に光子を取り込む推定結合効率は0.3〜1.2%だった。検出まで含めた光子検出確率は1回の試行あたり0.11〜0.47%の範囲である。研究チームは、光学収差の補正やマイクロレンズ・キャビティ技術の導入によって改善できると議論している。

つまり今回の記録は「10本に増やした」ことが強みだが、実用化に向けては各1本をもっと効率よくする必要がある。量子もつれ生成は確率的で、光子を一つ失うだけで接続試行が失敗し得る。多重化はその失敗を並列試行で補うための手段だが、結合効率が低いままではチャンネル数を増やすだけで十分ではない。

超伝導ナノストリップ光子検出器が10本を受け止める

送った光子を最後に数えるのが、超伝導ナノストリップ光子検出器（SNSPD）である。極低温で動作する細い超伝導線に単一光子が当たると、一瞬だけ超伝導状態が崩れ、電気パルスとして検出できる。単一光子を高効率・低雑音で検出できるため、量子通信や量子光学の重要部品になっている。

大阪大学の先行ムーンショット研究では、NICTがSNSPD素子の高効率化・低暗計数化を進め、32チャンネルの検出器を2.3K以下に冷却できるシステムを構築してきた。今回の実験では、その技術を基盤にNICTと浜松ホトニクスが開発した多チャンネルシステムのうち10チャンネルを使った。

論文では各チャンネルの検出効率を75〜94%、暗計数率を毎秒50カウント未満としている。光子を10本へ分けるだけでなく、それを並列に数える受け皿まで日本国内で統合した点が、この研究の工学的な特徴である。

量子ネットワークに必要なのは「光が来た」だけではない

量子コンピュータを光で接続するには、光子がどのチャンネルへ来たかだけでは不十分だ。原子量子ビットの量子状態と、放出された光子の偏光状態に量子的な対応関係が必要になる。光子を遠くへ送り、別の光子と測定することで、離れた原子同士へ量子もつれを作るためだ。

今回の実験では、原子のゼーマン準位に符号化した状態と光子の偏光状態の相関を測定し、干渉縞の可視度として0.82と0.87を得た。論文はこれを、集積光導波路を通した光子が原子-光子量子もつれ生成に利用できる可能性を示す結果と位置付ける。

ここは言葉を選ぶ必要がある。研究グループは今回、10サイトすべてを用いて二つの量子プロセッサ間へ10本のBell対を同時生成したわけではない。まして論理量子ビット同士の誤り耐性接続を実験したわけでもない。実証したのは、その前段に必要な「原子から出る量子的な光を、多重化して正しい光路へ運ぶ」インターフェースである。

なぜ1本ではなく10本なのか

光子を使った遠隔量子もつれ生成は、一般に確率的である。原子が光子を出し、その光子がレンズへ入り、導波路へ結合し、ファイバーで失われず、最後に検出される必要がある。どこかで失敗すれば、その試行ではもつれを作れない。

一つのチャンネルを高速に何度も試す「時間多重化」も有効だが、遠距離通信では光が往復する時間によって試行レートに上限が生じる。そこで複数チャンネルを同時に走らせる「空間多重化」を組み合わせる。10個の原子が同時に10本の抽選を引けば、少なくとも一部で成功する確率を上げられる。

論文は、100モードの空間多重化と理想化した12%の自由空間光収集効率を仮定した既存の誤り訂正通信モデルでは、2ミリ秒以内に40組のBell対を配送できるとの見積もりを引用する。ただしこれは今回の10チャンネル装置で実測した性能ではない。現状の結合効率は約1%であり、100モードへの拡張もまだ実証していない。

100多重は、10をそのまま10倍するだけではない

大阪大学などの発表は、集積光導波路アレイを使うことで将来的に約100多重へ拡張できる可能性を示したとする。論文では、現在の7.5マイクロメートル原子間隔なら、1.5mm程度の視野の中に一次元で200モードを配置できる幾何学的な見積もりも示す。

しかし、チャンネルを増やすほど位置合わせ、光学収差、ファイバー接続、検出器数、熱負荷、制御配線、校正時間が増える。さらに量子計算側では、原子間Rydbergゲートを実行するための間隔や、エラー訂正コードの配置条件と両立させなければならない。

今回の7.5マイクロメートル間隔は、一般に高忠実度Rydbergゲートでよく使われる5マイクロメートル以下より広い。論文は、高励起Rydberg状態を使えば最大14マイクロメートル程度の距離でも高忠実度ゲートが可能になる理論・先行研究を挙げ、今回の光インターフェースと原子プロセッサの直接統合が可能だと議論する。

大阪の研究は2020年から「一台を作る」より「つなぐ」を選んだ

今回の成果には明確な研究史がある。JSTは2020年度、ムーンショット目標6の下で山本俊教授をプロジェクトマネージャーとする「ネットワーク型量子コンピュータによる量子サイバースペース」を採択した。光、原子、半導体など異なる量子ハードウェアをネットワーク化し、多数の中小規模プロセッサを一つの大規模計算機として使うことを目標にした。

原子ネットワーク班では、ルビジウム原子アレイの作製、単一光子検出、光周波数を使ったルーティング、量子周波数変換、低雑音化、SNSPDの多波長化、32チャンネル検出システムまで要素技術を積み上げた。2024年度までに「部品」はかなりそろっていた。

2025年度には研究計画が「誤り耐性ネットワーク型量子コンピュータ」として次段階へ移った。JSTは、100万量子ビット級の単一量子プロセッサを作る困難さを前提に、多数の小中規模プロセッサを量子接続する技術を開発すると説明する。今回の10サイト光インターフェースは、その新プロジェクト開始直後に出たハードウェア成果でもある。

理論側では、すでに「論理量子ビットをネット越しにつなぐ」設計へ

2026年3月、大阪大学QIQBの前田悠也氏、山本俊氏らは、離れた二次元量子ビットアレイ間で論理もつれを分配する誤り耐性プロトコルをPhysical Review Researchに発表した。物理光子リンクには損失や誤りがあるため、単純に原子1個と原子1個を結ぶだけでは大規模計算に耐えない。複数の物理量子ビットを符号化し、Bell対を蒸留して論理レベルの接続品質を上げる必要がある。

今回の光インターフェースは、その理論設計に必要な「並列な物理リンク」をハードウェア側で作る技術と位置付けられる。理論と実験が同じ方向を向いている点が大阪大学のプロジェクトの特徴だ。

データセンター規模の量子コンピュータとは何を意味するか

研究発表は将来像として「データセンター規模」の誤り耐性型汎用量子コンピュータに触れる。これは、一つの巨大な冷凍機や真空槽に全量子ビットを詰め込むというより、複数の量子計算モジュール、光インターフェース、検出器、制御装置をラックや区画単位で配置し、ネットワークで一体運用する姿を想定する。

古典コンピューティングでも、スーパーコンピュータやクラウドは多数のノードを高速ネットワークで結ぶことで大きな計算機になる。量子版では、その接続そのものにも量子状態を保つ能力が要求されるため、ネットワークは周辺設備ではなく計算機の一部になる。

ただし量子ネットワークは古典ネットワークより厳しい。光子損失はコピーで補えず、未知の量子状態を完全複製することもできない。接続失敗を前提に、成功したもつれを通知し、メモリへ保持し、複数のリンクを誤り訂正コードへ組み込む設計が必要になる。

日本の量子政策で「ネットワーク」は脇役ではない

日本政府は2022年の「量子未来社会ビジョン」で、量子コンピュータだけでなく量子通信、量子センシング、材料・デバイス、人材・産業化までを一体で進める方向を示した。ムーンショット目標6も、ハードウェア、ソフトウェア、ネットワークを並列に研究する。

この背景では、今回の成果は単一企業の量子コンピュータ競争とは少し位置づけが違う。大阪大学が原子・光インターフェースを開発し、NICTが超伝導単一光子検出器を提供し、浜松ホトニクスが検出システムを実装する。光通信、検出器、原子物理、量子誤り訂正という日本の異なる技術分野を一つのネットワーク機械へ統合するプロジェクトである。

「世界記録」の次に必要なのは効率

10チャンネルという数字は分かりやすい。しかし論文を読むと、研究者がより気にしている数字は結合効率である。原子から導波路へ入る光子は0.3〜1.2%。光子を出す確率、ファイバー結合、検出器効率などを含めると、各試行で正しい光子を検出する確率は0.11〜0.47%だった。

研究チームは、現在の光学系に収差が残っていると分析し、補正だけでも改善余地があるとする。さらにマイクロレンズと光共振器を組み合わせれば、少なくとも10倍以上の収集効率向上が期待できると論文で議論している。

量子ネットワークの大規模化では、この地味な効率改善が決定的になる。10本を100本にしても1本当たりの成功率が低ければ、必要なBell対を作るまでの待ち時間が長い。逆に効率が上がれば、同じ10本でも計算機としての通信帯域は大きく変わる。

10本の光路は、「一台の巨大量子コンピュータ」以外の未来を示す

量子コンピュータの競争では、しばしば「何量子ビットあるか」が最初の指標になる。だが誤り耐性時代に入れば、単純な物理量子ビット数だけでは性能を比較できない。論理量子ビット数、エラー率、ゲート速度、接続性、そしてモジュール間の量子通信帯域が重要になる。

大阪大学の10サイト実証が示すのは、量子コンピュータにも「モジュール化」という別の成長経路があることだ。一つの装置を100万量子ビットへ無理に膨らませる代わりに、制御可能なサイズの量子プロセッサを多数作り、光で束ねる。

もちろん、今回できたのはその配線板の一部にすぎない。結合効率は低く、100チャンネルはまだ将来像で、量子プロセッサ間の大規模Bell対生成も、論理量子ビット間の誤り耐性接続もこれからだ。

それでも10本を正しい10本へ送れたことには意味がある。量子計算の規模を決めるのは、箱の中に何個の量子ビットがあるかだけではない。箱と箱の間に、どれだけ多く、どれだけ正確に、量子状態を壊さず道を作れるか。その「道」を集積光回路で増やす技術が、大阪で一段階進んだ。