量子計算，イオン方式が先行〜日経サイエンス2006年5月号より

「もつれ」の生成や操作で，他の手法よりも一歩先んじた

量子コンピューターの開発に向けて，いろいろな技術が追求されている。超電導素子，光子に基づく系，量子ドット，スピントロニクス，分子の核磁気共鳴を利用するものなど，さまざまだ。ところが最近，イオン捕捉を実験している複数のチームがそれぞれ画期的な成果を上げた。他の方法では達成が難しいとみられる離れ業だ。

誤り訂正技術の基本に

通常のビットは０か１のどちらかの値を取るが，量子コンピューターが扱う量子ビット（キュービット）はそれらの重ね合わせ状態にもなり得る。「０であること」と「１であること」が，ある比率を持って，単一の状態に組み合わさっている。
多数の量子ビットを重ね合わせる際に重要な意味を持つのが，「量子もつれ」という状態だ。量子もつれにある複数の量子ビットは不思議なことに，それぞれの状態が他の量子ビットの状態と関連しあう。アインシュタイン（Albert Einstein）はこれを「距離によらない不気味な作用」と呼んだ。
例えばいわゆる「シュレーディンガーの猫状態」の量子ビットの場合，どの量子ビットも測定されると同じ結果（０または１）を示す。ただし，０となるか１となるかは完全にランダムだ（「シュレーディンガーの猫状態」という名前は，０と１が猫の生死に対応するあの有名な思考実験に由来する。個々の量子ビットは猫の体内に存在する全粒子にあたる）。
量子ビットの誤り訂正では，この「猫状態」が基本的な技術要素となる。量子ビットの状態は極めて壊れやすく，そのエラーは量子計算を目指す試みにとって悩みの種だ。

猫状態とW状態

コロラド州ボールダーにある米国立標準技術研究所のワインランド（David J. Wineland）とライブフリード（Dietrich Leibfried）らのチームは，４個と５個，そして６個のベリリウムイオンからなる「猫状態」を作り出した。電磁トラップによって真空中でイオンを一列に捕捉し，レーザーで状態を操作する。６個のイオンからなる「猫状態」の場合，150マイクロ秒ほど持続するという。
オーストリアではインスブルック大学のブラット（Rainer Blatt）とヘフナー（Hartmut Haeffner）らが同様の技法によって， ８個のカルシウムイオンを量子もつれ状態にした。この実験では「猫状態」ではなく，「W状態」が作られた。W状態は多くの点で猫状態よりもエラーを起こしにくい。例えばW状態からイオンが１個失われても，残りのイオンは依然としてW状態を保つ。これに対し猫状態からイオンが１個でも欠けると，全体がだめになる。
どちらの実験も，原理上は多数のイオンを取り込める。しかし，イオンの数が増すにつれて量子もつれ状態の質が低下するため，実際には拡張は難しかった。このエラーを減らすには，レーザーパルスの微調整や， ０と１の表現にイオンの異なる状態を利用する，イオンの種類をそっくり入れ替えるといった対応が考えられる。 

「グローバーのアルゴリズム」を実証

実用的な量子コンピューターを実現するには，量子ビットの特性を保ちつつ操作する必要もある。つまり，コンピューター上で量子アルゴリズムを実行しなくてはならない。
ミシガン大学アナーバー校のモンロー（Christopher Monroe）とブリックマン（Kathy-Anne Brickman）らのグループは「グローバーの量子検索」というアルゴリズムを２個のカドミウムイオンの系で実証した。 
この検索アルゴリズムはデータベース内の項目を無作為な順にくまなく探す。ふつう，特定の項目を探すには全項目を調べる必要があるが，量子検索アルゴリズムは魔法のように速い。データベースの全項目を重ね合わせて調べられるからだ。データベースの規模が大きくなるほど，劇的に速くなる。例えば項目数が100万の場合，100万回の参照は不要で，約1,000回の量子検索ですむだろう。
ミシガン大学の実験に使われたデータベースは項目数が４項目相当で，これら４個の項目は２つの量子ビットで表現された。量子ビット数はもっと増やせるという。
こうした成果が次々と出ていることを考えると，モンローがいうように「大規模な量子コンピューターの実現を目指す手法のなかで，イオン捕捉法が他をリードしていると多くの人々が感じている」のも無理はない。

もつれたイオン　トラップに捕捉された８個のカルシウムイオン。「W状態」という特殊な量子もつれ状態にあり，イオンの特性には微妙な相関がある。こうした量子もつれ状態は量子計算での誤り訂正に役立つ。粒子数が多くなると，量子もつれ状態の生成と維持は難しくなる。