中国研究チームが「先天的なエラー耐性」を持つ新たな量子状態の生成に成功：
中国研究チームが「先天的なエラー耐性」を持つ新たな量子状態の生成に成功：

中国研究チームが「先天的なエラー耐性」を持つ新たな量子状態の生成に成功：

2025年11月28日、科学界において極めて重要なマイルストーンとなる論文が、米科学誌『Science』に掲載された。中国において「量子の父」と呼ばれるPan Jianwei（潘建偉）教授率いる中国科学技術大学（USTC）の研究チームが、超伝導量子プロセッサ「Zuchongzhi

2025年11月28日、科学界において極めて重要なマイルストーンとなる論文が、米科学誌『Science』に掲載された。中国において「量子の父」と呼ばれるPan Jianwei（潘建偉）教授率いる中国科学技術大学（USTC）の研究チームが、超伝導量子プロセッサ「Zuchongzhi 2（祖沖之2号）」を用い、「ノイズやエラーに対して先天的な耐性を持つ」極めて特殊な量子状態のシミュレーションに成功したのである。

この発見は、量子コンピュータ開発における最大の障壁である「量子ビットの脆弱性」を克服するための、全く新しいアプローチを提示するものだ。彼らが作り出したのは、自然界には存在しない「非平衡高次トポロジカル相（Non-equilibrium Higher-Order Topological Phases）」と呼ばれる物質相であり、これは比喩的に言えば、「どれだけ揺らしても崩れない量子レゴブロック」を手に入れたに等しい。

量子情報の「もろさ」という壁

「人混みの中でシャボン玉を運ぶ」難しさ

量子ビットは、環境からのわずかなノイズ（熱、電磁波、振動など）によって、その繊細な量子状態（重ね合わせ状態）を即座に失ってしまう。これを「デコヒーレンス」と呼ぶ。現状の量子コンピュータ技術を例えるならば、「満員電車の中で、壊れやすいシャボン玉を割らずに運び続けようとする」ような困難さを伴う。従来のアプローチでは、このシャボン玉を守るために、大量の補助的な量子ビットを使ってエラー訂正（誤り訂正）を行う必要があった。しかし、この方法はシステムを巨大化・複雑化させ、実用化へのハードルを高くしていた。

逆転の発想：守るのではなく「壊れない構造」を作る

潘教授らのチームが採ったアプローチは、外部からエラーを訂正するのではなく、「そもそも壊れにくい構造を持つ量子状態」を作り出すことである。ここで鍵となるのが、「トポロジー（位相幾何学）」という数学の概念だ。

「トポロジカル相」と「量子アーマー」の正体

ドーナツとマグカップの幾何学

物理学において、この概念を物質の電子状態に応用したのが「トポロジカル絶縁体」である。この物質は、内部は電気を通さないが、表面（エッジ）だけは「トポロジーによって保護された」強固な導電性を持つ。 この表面の状態は、不純物や欠陥があっても簡単には乱されない。

「高次」トポロジカル相への飛躍

これまで研究されてきたトポロジカル物質の多くは、3次元物質なら2次元の表面、2次元物質なら1次元の縁（エッジ）に特異な状態が現れる「1次」のものだった。しかし、今回USTCのチームがシミュレーションに成功したのは、さらに進んだ「高次トポロジカル相（Higher-Order Topological Phases）」である。

  • 1次トポロジカル相: エッジ（辺）全体が保護される。
  • 高次トポロジカル相: エッジすら絶縁体となり、「コーナー（角）」という0次元の点にのみ、量子状態が集中して保護される。

研究チームはこれを「コーナーモード（Corner Modes）」と呼んでいる。これは、物質の表面や辺が外乱にさらされても、その「角」にある量子情報は、トポロジーの法則という「量子の鎧（Quantum Armour）」によって守られ続けることを意味する。

「祖沖之2号」による前人未到のシミュレーション

プログラマブルな「量子シミュレータ」の真価 「非平衡」という動的な秩序

さらに、今回の実験で特筆すべきは、対象が「非平衡系（Non-equilibrium systems）」である点だ。自然界の物質は通常、エネルギーの低い安定状態（平衡状態）にある。しかし、チームは量子ビットに対して周期的なマイクロ波パルスを照射することで、システムを揺さぶり続け、時間的に変動する環境下でのみ現れる特殊なトポロジカル相を作り出した。これを「フロケ（Floquet）トポロジカル相」と呼ぶ。

実験の結果、この激しく変動する環境下においても、シミュレートされた物質の「コーナー（角）」に局在する量子状態だけは、エラーやノイズに対して驚異的な頑健さ（ロバスト性）を維持していることが確認された。これは、従来の直感に反し、動的なシステムの中に「揺るぎない静寂」が存在することを証明した瞬間である。

本研究が示す「量子コンピュータ実用化」への道筋

1. 新たな量子メモリの可能性

今回確認された「コーナー状態」は、環境ノイズの影響を受けにくい。この性質を利用すれば、情報を「コーナー」に隔離して保存する、極めて安定性の高いトポロジカル量子メモリが実現できる可能性がある。これは、現在の量子ビットが抱える「記憶保持時間の短さ」という問題を根本から解決する糸口となる。

2. フォールトトレラント（耐故障）性への寄与 3. NISQデバイスの新たな活用法

現在の量子コンピュータは「NISQ（Noise Intermediate-Scale Quantum）」と呼ばれ、ノイズが多く大規模な計算には不向きとされる。しかし、今回の研究は、Zuchongzhi 2のような既存のNISQデバイスであっても、自然界には存在しないエキゾチックな物質相を探索する「シミュレータ」としては極めて強力であることを実証した。これは、量子化学や新素材探索の分野において、NISQデバイスが即戦力となりうることを示唆している。

物質の「境界」に隠された革新

潘教授、そしてUSTCやShanxi Universityの研究チームが成し遂げたのは、「自然界の法則（トポロジー）をハッキングし、ノイズに強い領域を人工的に作り出した」という偉業である。

Sources

  • South China Morning Post: Chinese scientists create super stable building block for quantum computers