量子ビットだけでは足りない。マイクロ波共振器を「ボソンの入れ物」として組み合わせるハイブリッド量子計算機なら、誤り訂正なしでも手が届くという理論

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量子コンピューターの部品といえば量子ビットです。ところが、物質の中で起きている現象を量子コンピューターで再現しようとすると、量子ビットだけでは手に負えない相手が出てきます。光の粒子や結晶の振動のような「ボソン」です。MIT とキングス・カレッジ・ロンドンの Eleanor Crane さんを筆頭とする12人のチームは、量子ビットにマイクロ波の共振器を組み合わせた「ハイブリッド」の量子計算の枠組みを示し、誤り訂正のない今の装置でも、量子ビットだけでは届かない問題に手が届くと主張しています。論文は2026年10月7日に Physical Review X に掲載され、誰でも読めます。理論の論文で、装置を作ったわけではありません。

量子ビットが苦手な相手

自然界の粒子は、大きく2つに分かれます。電子や陽子のような「フェルミオン」と、光子や、結晶の中の振動を粒子として扱ったフォノンのような「ボソン」です。材料の性質も、化学反応も、原子核の中身も、突き詰めればフェルミオンとボソンがどう相互作用するかで決まります。

量子ビットは2つの状態を持つ部品で、同じ状態に2つ入れないフェルミオンとは相性がよく、効率よく表現できます。ところがボソンは、同じ状態にいくつでも重なって入れます。1個、2個、3個と、原理的には上限がありません。これを量子ビットで表すには、何個まで数えるかの上限を決めて、その数ぶんの量子ビットを割り当て、ボソン1個の出入りを表すのにも多数のゲート操作を連ねることになります。操作が増えれば誤りも増え、誤り訂正のない今の装置では、現実の問題を扱う前に計算が壊れてしまいます。

ボソンは、ボソンの入れ物に入れる

Crane さんたちの答えは単純です。ボソンを量子ビットに翻訳するのをやめて、ボソンそのものを入れられる部品を足す。それがマイクロ波の共振器です。共振器は電磁波を閉じ込める小さな箱で、中では電磁場が振り子のように振動しています。この振動の量子的なエネルギーの段は、まさにボソンの数そのものです。共振器はすでに超伝導量子コンピューターの中で量子ビットを読み出すために使われているので、新しい技術を発明する必要はありません。

この枠組みでは、ボソンの個数を表す操作が、数える上限に関係なく一定の手間で済みます。論文の言い方では、ボソンのカットオフに対して「O(1)」、つまり上限を大きくしても操作の数は増えません。そのおかげで、フェルミオンとボソンが絡み合う高次の相互作用を、近似なしに正確に分解できます。チームは、空間2次元と時間1次元の「(2+1)次元ゲージ理論」という、量子シミュレーションの分野で難物として知られる対象でこれを示しました。グラフェンのような2次元材料や、超伝導体の中の電子の振る舞いは、こうした2次元の理論で記述されます。

論文には、計算の進め方（時間発展のコンパイル）、補助の量子ビットを使わずに誤りの一部を見つける方法、離れた場所の量をまとめて測る方法、基底状態のエネルギーを求める2通りのアルゴリズムまで、一式がそろえてあります。理論の提案というより、作るための設計書に近い内容です。

「9」が3つ違う

どれだけ得なのかを、チームは数字で示しています。ハイブリッドの装置で1回のゲート操作の忠実度（正しく動く確率）が99.9%だったとき、量子ビットだけで同じ精度の結果を出すには、ゲートの忠実度が99.9999%必要になる、という見積もりです。小数点以下の「9」の数が3つ違い、これは今の技術では届きません。研究者向けの要約では、必要な手間が1,000分の1になり、実用的な価値のある化学や材料の問題が、大規模な誤り訂正つきの計算機を待たずに、今作られている装置の射程に入るかもしれない、と書かれています。

比べるために、チームは光を分けたり合わせたりするビームスプリッターの動きを量子ビットだけで計算する新しいアルゴリズムも作りました。それでも手間の差は埋まらなかった、というのが比較の結論です。また、量子ビットだけの装置でも古典計算機でも手が出ない「ポスト量子ビットの量子優位」を示す実験の案も提案していて、共振器のゲートの忠実度を、ボソンが多数入った状態の計算で見積もって、その案が現実的だと論じています。

論文を読んだローレンス・バークレー国立研究所の Anthony Ciavarella さんは ScienceAlert に、この提案でいちばん心強いのは装置への要求が控えめなことで、必要なゲートの忠実度は今の装置がすでに達している値に近い、と話しています。Ciavarella さんは著者ではありません。

どこまで信じるか

これは理論の論文で、ハイブリッドの装置で実際に (2+1)次元ゲージ理論を解いたわけではありません。共振器の忠実度の見積もりも計算によるもので、実機でどこまで出るかは別の話です。「1,000分の1」も、ある問題設定での比較であって、どの問題にも当てはまる倍率ではありません。

それでも、量子ビットを増やし、誤り訂正を待つという一本道とは別に、部品の種類を1つ足すという道筋を、必要な数字つきで示したことには意味があります。植物が光をエネルギーに変える仕組み、電気を失わずに運ぶ材料、薬が標的に結びつく様子。チームが挙げるこうした問題はどれもボソンが絡んでいて、古典計算機には手が出ません。ボソンをボソンのまま扱える計算機があれば、そこへ近づける。そういう提案です。