手のひらに収まるチップで、地球上のすべてのコンピューターを合わせても解決できない問題を解決できると想像してください。

Natureの報告: 量子コンピューティングが新たなブレークスルーを達成—

マイクロソフトは、新しいトポロジカルコアアーキテクチャに基づく初の量子チップであるMajorana 1を発売しました。

当局者らは、産業規模の問題を解決できる量子コンピュータが数年以内に実現されると予想している。

公式ノートには「数十年ではなく、数年」と明記されています。これにより、量子コンピューティングの大規模な応用が加速されます。

マヨラナと呼ばれるこの新しい量子粒子は、大きさがわずか 1/100 ミリメートルであるため、より高速で、より小型で、より信頼性が高く、最大 100 万量子ビットまで拡張できます。

ナデラ氏は明確にこう述べた。 「これはテクノロジーを誇大宣伝することではなく、真に世界に役立つテクノロジーを構築することです。」

しかし、これはすぐに物理学者から懐疑的な反応を受けた。

この開発には技術的な詳細が欠けており、Nature に掲載された結果は中間的なものに過ぎず、トポロジカル量子ビットの存在を証明するものではありません。

マイクロソフトの量子コンピューティングにおけるブレークスルー：100万量子ビットが現実に

Microsoft によるこの最新の画期的な発表は、包括的かつ注目度の高いリリースと言えます。

arXiv には、プレスリリース、Nature 誌の記事、信頼性の高い量子コンピューティング キュービットのロードマップが公開されています。

リア・ナデラ氏は、約20年にわたる探究の末、ついに物質の新しい状態であるトポロジカル超伝導体が解明されたことを紹介する長い記事を執筆しました。

この研究を理解するには、「トポロジカル超伝導体」と呼ばれる特殊なタイプの物質から始めなければなりません。

全く新しい物質状態、つまり固体、液体、気体ではなく、トポロジカル状態を作り出すことができます。この状態を用いることで、既存の代替手段のようなトレードオフなしに、高速で小型、かつデジタル制御可能な、より安定した量子ビットを生成することができます。

これには、インジウムヒ素（半導体）とアルミニウム（超伝導体）からなる全く新しい材料スタックの開発が必要でした。そのほとんどは、マイクロソフトの原子によって設計・製造されました。このプロセスについては、Nature誌が実際に報じています。

これらのデバイスは、絶対零度近くまで冷却され、磁場で変調されると、ワイヤの端にマヨラナゼロモード (MZM) を持つトポロジカル超伝導ナノワイヤを形成します。

MZM は、量子ビットの構成要素として、「パリティ」、つまりワイヤに含まれる電子の数が偶数か奇数かによって量子情報を保存します。

従来の超伝導体では、電子はクーパー対に結合し、抵抗なく移動します。不対電子が存在すると、その存在には追加のエネルギーが必要となるため、検出可能です。

しかし、トポロジカル超伝導体は異なります。ここでは、一対のMZMが不対電子を共有しており、それが周囲環境から見えなくなります。この独自の特性により、量子情報を保護することができます。

トポロジカル超伝導体は量子ビットの理想的な選択肢となっていますが、同時に、隠された量子情報をどうやって読み取るかという課題も生じます。

彼らの解決策は次のとおりです。

• デジタルスイッチは、ナノワイヤの両端を、電荷を蓄えることができる小さな半導体デバイスである量子ドットに結合するために使用されます。
• この接続により、量子ドットの電荷保持能力が向上します。最も重要なのは、具体的な増加量はナノワイヤのパリティに依存することです。
• この変化を測定するためにマイクロ波が用いられます。量子ドットの電荷容量によって、マイクロ波が量子ドットからどのように反射されるかが決まります。したがって、戻ってくるマイクロ波はナノワイヤの量子状態の痕跡を運びます。

研究チームは機器の設計においてこれらの変動の大きさを考慮し、信頼性の高い単一測定を可能にしました。当初、測定誤差の確率は1%でしたが、現在ではそれを大幅に低減する明確な方法を発見しました。

最終的に、彼らのシステムは強い安定性を示します。外部エネルギー（電磁波など）はクーパー対を破壊し、不対電子を生成し、それによって量子ビットの状態を偶パリティから奇パリティへと変化させます。

しかし、彼らの調査結果によると、これは非常に稀にしか発生せず、平均して1ミリ秒あたり1回しか発生しないことがわかりました。これは、プロセッサを囲むシールドがこの放射線を効果的に遮断していることを示唆しています。

従来の量子コンピューティングでは、量子状態を正確な角度で回転させるため、各量子ビットに合わせた複雑なアナログ制御信号が必要となります。これは量子誤り訂正（QEC）を複雑化させます。QECは、これらの同様に繊細な操作を用いて誤りを検出・訂正するからです。

しかし、彼らのデジタル測定アプローチはQECを大幅に簡素化します。量子ドットとナノワイヤを接続・切断する単純なデジタルパルスによって駆動される測定のみで、エラー訂正を実行できるのです。このデジタル制御により、実用化に必要な多数の量子ビットの管理が可能になります。

これを踏まえて具体的なロードマップも公開した。

• 最初の画像は単一量子ビットデバイスを示しています。この四つ組は2本の平行なトポロジカルライン（青）で構成され、それぞれの一端にはMZM（オレンジ色の点）が接続され、垂直の単純な超伝導線（水色）で接続されています。
• 2 番目の画像は、測定ベースの編組変換をサポートする 2 量子ビット デバイスを示しています。
• 3 番目の画像は、2 つの論理量子ビットでの量子エラー検出のデモンストレーションをサポートする 4×2 四重極アレイを示しています。

このロードマップによると、彼らには 2 つの計画があります。

スケーラブルなアーキテクチャは、単一量子ビットデバイス (Tetron と呼ばれる) を中心に構築され、量子ビットはパリティ状態の重ね合わせに配置されます。

公式声明によれば、彼らは18か月前に量子スーパーコンピュータの開発ロードマップを策定し、最初のマイルストーンを達成したという。

今日、彼らは2つ目のマイルストーンを達成しました。

私たちは世界初のトポロジカル量子ビットを実証しました。100万量子ビットを収容できるように設計されたチップ上に、すでに8つのトポロジカル量子ビットを配置しています。

この進歩は、マイクロソフトが数年前にトポロジカル量子ビットの設計を追求するという決定を裏付けるものであり、これは現在、初期の結果が出ている、リスクが高く、見返りも大きい科学的、工学的課題です。

しかし、一部の物理学者はこれに疑問を呈している。

しかし、マイクロソフトのこの核レベルの画期的進歩の主張は物理学者から懐疑的な反応を受けている。

この結果を見たオックスフォード大学の理論物理学者スティーブン・サイモン氏は次のように述べた。

彼らは自分が見たと思ったものを見たのだと思いますか？いいえ、でもかなり良く見えました。

実験から、量子ビットがトポロジカルな量子状態で構成されていることをすぐに判断することはできません。

この質問には根拠がないわけではありません。結局のところ、Microsoft は以前にも同様の問題に遭遇しています。

2018年に、マイクロソフトのオランダ研究所のスタッフは、マヨラナフェルミオンを観測したと主張した。

マヨラナフェルミオンは、その反粒子自身が1937年にエットーレ・マヨラナによって提唱された仮説です。量子ビットの不安定性に対する理想的な解決策の1つとして、トポロジカル量子コンピュータへの応用の可能性を秘めており、多くの科学者や企業によって研究されてきました。

マイクロソフトもその一社で、2004年に調査を開始し、この分野の第一人者であるレオ・クーウェンホーフェン氏をプロジェクトのリーダーに迎えました（同氏は2022年に退社しました）。

この研究は当時ネイチャー誌に掲載され、業界で大きな話題となったが、科学者らは「再現不可能」であることに疑問を呈した。

一部の科学者は、彼らが得た生の測定データと論文に掲載されたデータの間にいくつかの矛盾があることを指摘している。

その後、マイクロソフトチームは既存の生データをすべて再解析し、元の実験装置を再構築して伝導率の値を再調整しました。その結果、マヨラナフェルミオンは観測できないことが判明し、3年後に撤回を申請しました。

マイクロソフトは現在、再び同様の疑問に直面しているが、今回はチップレベルでのブレークスルーに関するものだ。

もう少し弾丸が飛んでいこうぜ〜

参考リンク: [1]https://x.com/satyanadella/st... [2]https://www.nature.com/articl... [3]https://www.nature.com/articl... [4]https://azure.microsoft.com/e... [5]https://azure.microsoft.com/e... [6]https://arxiv.org/abs/2502.12252