ETHチューリッヒ、音の振動で量子情報を蓄積する世界初のハイブリッド量子チップを開発――「量子RAM」実現への道を開く

トランスモン量子ビットは、iSWAP操作とJaynes-Cummings相互作用を用いて機械的状態に対してゲートを実行します。測定された結合強度はg/2π = 296 kHzです。主要な革新点は、オフ共振の量子ビット-共振器相互作用を介して実現される、高速な制御付き任意位相（Cϕ）2量子ビットゲートのための新しいプロトコルです。著者らは、このプロトコルが他の物理プラットフォームにも転用可能であると考えています。

実証：実用的な量子アルゴリズムの実行

研究チームは、単一量子ビットゲートと制御付き任意位相ゲートからなるユニバーサルゲートセットを実証し、これを用いて2つのベンチマークアルゴリズムを実行しました：

• 量子フーリエ変換（QFT）： このアーキテクチャにとって理想的なテストであり、任意の制御付き位相ゲートと完全な量子ビット接続性を必要とします。HBARフォノンモードの長いコヒーレンス時間は、アルゴリズムのアイドル期間中に特に有利に働きました。
• 量子周期発見（QPF）： ショアの因数分解アルゴリズムの中核サブルーチンであり、このシステムでも正常に実行されました。

ゲートフィデリティは、状態準備・測定エラーとiSWAPインフィデリティを考慮したシミュレーションとよく一致しました。

意義：なぜ機械式メモリが重要なのか

本研究は、機械式共振器を用いたプログラマブルな汎用量子コンピューティングアーキテクチャの初の実証です。その重要性は、従来の電磁波メモリに対する以下のような主要な利点にあります：

• コンパクト性と蓄積密度： 電磁波方式の量子メモリ（コプレーナ導波路共振器、3D空洞など）はかさばり、利用可能なモードが限られます。一方、単一のHBARチップは、はるかに小さなフットプリントに多数の高コヒーレントな調和モードを詰め込むことができます。
• 安定性とコヒーレンス： 機械的（フォノン）モードは本質的に長いコヒーレンス時間を持ち、一時的な量子情報の蓄積に適しています。
• 量子RAMへの道： 著者らは、これらの結果が「機械システムを用いて、量子ランダムアクセスメモリなどの将来の量子技術に不可欠な構成要素を構築する道を開く」と明言しています。

現在の限界

現在の実証は、単一のトランスモン量子ビットと相互作用できるフォノンモードの数によってプロセッササイズが制限されています。ETHチューリッヒのチームは、コヒーレンス時間の改善、異なるハイブリッドアーキテクチャ設計の探索、トランスモン状態読み出しの高速化に積極的に取り組んでいます。

結論： ETHチューリッヒのチップは、超伝導量子ビットと機械的（フォノン）メモリを組み合わせたハイブリッドシステムが、実際の量子アルゴリズムを実行できることを証明しました。これにより、機械式共振器が、電磁波方式のスペースと接続性の限界を克服する、コンパクトで高コヒーレンスな量子メモリへの実行可能な道筋として確立されました。