世界初の量子ビット素子を実現。量子という究極の世界を制御する愉楽。｜ UTOKYO VOICES 066

1999年4月29日号『Nature』の表紙を飾ったのは、中村が世界で初めて開発した「固体素子で作った超伝導量子ビット」に関するイラストだった。それ以来、中村は量子コンピュータ開発のトップランナーとして世界の注目を集めている。

大阪生まれの中村は小学生の時に東京都西多摩郡日の出村（現日の出町）に引っ越し、野山を駆け巡りながら高校まで伸び伸びと暮らす。理科好きで中学の頃には化学に、高校で物理に興味を持ち、理科一類に入って、物理工学科に進む。修士課程修得後、NECの基礎研究所で20年間基礎的な研究を続ける。

入社した1992年頃は、まだナノテクノロジーという言葉もなく、ミクロとマクロの中間の領域を扱うメソスコピック系の物理という分野で、1ミクロン以下の構造を持つ、単一電子トランジスタの開発に取り組んでいた。

「さらに単一電子トランジスタが超伝導状態になったときに現れる興味深い量子現象を見出し、超伝導回路を使った量子コンピュータの研究を始めたところ、『Nature』の表紙に取り上げられた超伝導量子ビット素子の実現につながったのです」

ただ、その量子ビット開発に至る過程に確固たる筋道があったわけではなく、「興味の赴くところを探索していたらそこにたどり着いたという感じです。研究所では自由にやらせてもらえて恵まれていました」と、中村は振り返る。

通常のデジタル回路の上のビットでは「0もしくは1」というどちらか一つの状態として情報が保持されるのに対し、量子ビットでは「0でありかつ1でもある」ような任意の割合の重ね合わせ状態を表現できる。量子コンピュータは、この重ね合わせを利用して超並列計算を実現する。

ただ、重ね合わせ状態は作るのも難しく、それを維持するのも難しい。ちょっとしたノイズで壊れるので制御するのが非常に難しく、従来のコンピュータをしのぐ性能を持つ量子コンピュータはいまだに誕生していない。

その壁は計算の精度を下げるエラーであり、それを引き起こすノイズをいかに抑制するかが最大のテーマだ。最近になって、少しくらいノイズがあってもエラーを途中で訂正しながら計算を進める方式が提案され、解決の糸口が見えてきたという。

現在“量子コンピュータ”として、複数の選択肢の組み合わせから解を得る「組み合わせ最適化問題」を効率的に解くことを目指した量子アニーリングマシンなどが話題になっている。中村は、多数の量子ビットにわたる重ね合わせ状態を自在に制御してより一般的な問題解決を実現する量子コンピュータの開発に取り組んでいる。

「量子の世界はある意味で究極の世界です。そういう究極のレベルまで人間が自然を制御できるのが面白い」と話す中村の今後の夢は、超伝導回路を使った量子コンピュータを一刻も早く完成させることだ。

「超伝導回路を使った量子ビットデバイスで、実際に動かせているのは20量子ビットくらいの規模ですが、実用に耐えるには100量子ビット以上が必要です。今後の目標は5年で50量子ビット、10年で100量子ビットの実現ですが、できれば前倒しで進めたいと思います」