「シュレーディンガーの猫」をシリコンチップ上で実現する量子ビットを開発したという研究報告

箱の中に入れた猫が生きているのか死んでいるのかを考える「シュレーディンガーの猫」は、20世紀前半にオーストリアの物理学者であるエルヴィン・シュレーディンガーによって提唱された思考実験です。このシュレーディンガーの猫の量子状態をシリコンチップ上に実現したと、ニューサウスウェールズ大学の研究チームが発表しました。

Schrödinger cat states of a nuclear spin qudit in silicon | Nature Physics
https://www.nature.com/articles/s41567-024-02745-0

Quantum engineers create a 'Schrödinger's cat' inside a silicon chip
https://phys.org/news/2025-01-quantum-schrdinger-cat-silicon-chip.html

1935年、シュレーディンガーは「確率に左右される量子力学は不完全である」と主張するため、「シュレーディンガーの猫」という思考実験を提唱しました。

箱の中に放射性元素とガイガー計数管付きの装置、そして生きた猫を入れることを想定します。放射性元素は1時間当たり50％の確率で崩壊して放射線を出し、ガイガー計数管付きの装置は放射線を検知すると毒ガスを発生します。もちろん毒ガスが発生すると猫は死んでしまうので、1時間後に箱の中で猫が生きている確率は50％になります。つまり、箱を開けて確かめてみるまで、箱の中の状態は「猫が生きている状態」と「猫が死んでいる状態」の重ね合わせになるといえるわけです。

by ADA&Neagoe

「シュレーディンガーの猫」のポイントは、量子力学的な現象を「生きている猫」と「死んでいる猫」という巨視的、すなわち人間のスケールで観測可能な状態に結びつけたところです。言い換えるなら、「シュレーディンガーの猫」は「ミクロな量子現象がマクロな世界の状態をどのように決定するのか」という問題を提起しているといえます。

今回、研究チームはシリコンのナノ電子デバイスに埋め込まれたアンチモン原子を使って、従来の量子ビットよりも複雑な量子状態を作り出すことに成功したと報告しています。また、シュレーディンガーの猫の状態を「大きく離れたコヒーレント状態の重ね合わせ」であると定義し、アンチモン原子を用いた量子ビットはこれを実現したものだと主張しました。

量子コンピューターの最小単位である量子ビットは、量子のスピン方向について「異なる状態の重ね合わせ」を利用し、「0」と「1」を同時に取ります。通常の量子ビットではスピン方向が上向きと下向きの2種類のみであるのに対して、アンチモン原子は8種類の異なるスピン方向を持ちます。

アンチモン原子の場合は上向きと下向きの間に6つの中間状態が存在しているので、「0」と「1」の間は通常の量子ビットよりも大きく離れています。研究チームは、この「より大きく離れた状態の重ね合わせ」を指して「シュレーディンガーの猫を実現した」と表現しているわけです。

by Vicky Somma

また、この研究は単に「シュレーディンガーの猫」を実現するだけでなく、新しい量子ビットシステムを提案する実用的な目的もあります。

通常の量子ビットの場合、スピンの向きが突然変化すると即座に論理エラーになってしまい、「0」が「1」に、あるいは「1」が「0」に変わってしまうため、量子情報は非常に脆弱(ぜいじゃく)です。しかし、研究チームは今回のアンチモン原子を使用したシステムが「0」と「1」の間に単一のエラーでは量子コードを壊すことができない仕組みを作り出すものだと説明しました。

研究チームのリーダーであるアンドレア・モレロ教授は今回の技術を「7つの命を持つ猫」に例え、「猫は9つの命を持っているという諺がありますが、私たちの猫は7つの命を持っています。『0』から『1』に変えるには7つの連続したエラーが必要なのです」と述べています。

さらに、このアンチモン原子を用いた量子ビットはシリコンチップ上に実装されており、その量子状態を精密に制御できると研究チームは説明しています。また、シリコンチップを使用していることから、将来的には現在のコンピュータチップの製造方法と同様の方法で、この技術をスケールアップできる可能性を示唆しました。