2. 量子コンピュータの方式
量子コンピュータには、量子ビットを何で作るかによって、超伝導回路、イオン、中性原子、半導体やダイヤモンドの中のスピン、光などを使う方式があり、ほかにも研究段階の方式がある。方式によって、冷却や真空などの動作環境、量子ビットの操作と読み出しの方法、利点と弱点が違う。
2-1. 方式の全体像
量子コンピュータの方式は、量子ビットを担う物理的な対象（担体）によって分かれる。以下の表に、主な方式の違いを示す。各方式は同じ目標に対する別々の実装であり、表は優劣の順位を示すものではない。
表1: 量子コンピュータの主な方式の比較
| 方式 | 量子ビットの担体 | 動作環境 | 操作の方法 | 測定（読み出しの方法） | 利点 | 弱点 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 超伝導 | 超伝導の電気回路 | 装置を mK 級に冷却。 | マイクロ波のパルス | 共振器を通したマイクロ波で読み出す（分散読み出し） | 半導体と同じ微細加工で作り、平面に密に並べられる。性質を回路の設計で決められる。操作が速い。 | 材料の欠陥で状態が乱れる。増やすと配線と冷却が足りなくなる。 |
| イオントラップ | 電磁場で捕まえたイオンの電子状態 | イオンをレーザーで mK〜μK級に冷却。超高真空。装置は常温〜数 K。 | レーザーのパルス | レーザーを当て、光るかどうかで 0 と 1 を見分ける | 量子ビットがすべて同一。状態が長く保たれ、操作の精度が高い。トラップ内のイオンどうしを直接つなげる。 | 増やすと、一つずつ光で狙って操作するのが難しくなる。 |
| 中性原子 | レーザー光で捕まえた原子の電子状態（光ピンセット） | 原子をレーザーで μK 級に冷却。超高真空。 | レーザーで高い励起状態（リュードベリ状態）にして相互作用させる | 片方の状態の原子を取り除いて撮影し、もう片方の状態の原子が残っているかどうかで0 と 1を見分ける | 多数の原子を2次元に並べ、並びを組み替えられる。状態が長く保たれる。 | 原子が抜け落ちる。多数の原子を一様に光で制御するのが難しい。 |
| 半導体スピン | 量子ドットなどに閉じ込めた電子・原子核のスピン | 装置を mK 級に冷却。（K 級で動かす研究もある） | マイクロ波のパルスと電極の電圧 | スピンの向きを電荷に変え、電荷センサで読み出す | 半導体集積回路と同じ製造技術で、小さく密に作れる。 | 電荷や磁場のゆらぎに弱く、素子のばらつきが大きい。制御配線が密になる。 |
| ダイヤモンドスピン | 結晶の欠陥（色中心）の電子スピンと、周りの原子核のスピン | 装置を K 級に冷却。（色中心の種類によっては mK級） | マイクロ波・ラジオ波のパルスとレーザー | スピンの状態で変わる発光を見る（光学的読み出し） | 光で読み出し、光子を介して離れた量子ビットをつなげる。原子核のスピンを長寿命の記憶に使える。 | 光を外へ取り出しにくく、離れた量子ビットをつなぐ速度が遅い。 |
| 光 | 光子の偏光・時間位置・周波数など、または光の振幅 | 主要部は常温。（光子を数える検出器は K級以下に冷却） | ビームスプリッタや位相シフタなどの光学素子 | 光子を数える（単一光子検出器）、または光の振幅を測る（ホモダイン検出） | 常温で動き、光通信の部品や製造技術を使える。離れた装置どうしをつなぎやすい。 | 光の損失がそのまま誤りになる。光子どうしが直接相互作用しないため、操作が確率的になる方式がある。 |
2-2. 超伝導方式
超伝導方式は、極低温に冷やした超伝導の電気回路で量子ビットを作り、マイクロ波のパルスで操作する。素子どうしの相互作用を回路として設計できるので、2つの量子ビットにまたがる操作を直接作れる。システムの規模と集積密度で先行しており、最も広く展開されている方式の一つである。規模はチップ上に素子を並べて広げるが、極低温に保つための希釈冷凍機と、量子ビットごとに必要な配線が制約になる。
2-3. イオントラップ方式と中性原子方式
イオントラップ方式と中性原子方式は、どちらも超高真空中に捕まえた個々の原子（イオン）の内部の電子状態を量子ビットに使う。イオントラップ方式は、電磁場で捕獲したイオンの長寿命な電子状態を使い、レーザーのパルスで操作する。一つのトラップの中ではどの量子ビットどうしも直接結合できるが、操作に時間がかかる。
中性原子方式は、光ピンセットと呼ばれる絞ったレーザー光で原子を捕獲・配列し、その内部の電子状態を量子ビットに使う。原子の配列を組み替えることで規模を広げる。どちらの方式もレーザー光を道具として使うが、量子ビットを担っているのは原子（イオン）であり、光量子コンピュータとは別の方式である。
2-4. 半導体スピン方式とダイヤモンドスピン方式
半導体スピン方式とダイヤモンドスピン方式は、どちらも固体の中に閉じ込めたスピンを量子ビットに使う。半導体スピン方式は、量子ドットやドナー原子に閉じ込めた電子や原子核のスピンを使い、マイクロ波のパルスと電極の電圧で制御する。既存の半導体（CMOS）と同じ製造プロセスで作れるので、ウェハ単位での作製と相性がよい。一方で、周囲の磁気や電荷のゆらぎによるノイズと、量子ビットごとに必要な制御線の密度が制約になる。
ダイヤモンドスピン方式は、ダイヤモンド結晶の欠陥（色中心）に捕らえた電子のスピンと、その周りの原子核のスピンを量子ビットに使う。極低温に冷やし、マイクロ波やラジオ波のパルスとレーザーで操作し、スピンの状態によって変わる発光を光で読み出す。色中心から出る光子を介して、離れたモジュールどうしをもつれでつなぎ、規模を広げる構想である。ここでも光は量子ビットをつなぎ、読み出すための道具であり、量子ビットを担っているのは結晶中のスピンである。放出・検出できる光子の割合が低く、モジュールどうしをもつれでつなぐ速度が遅いことが課題になっている。
2-5. 研究段階の方式
表に挙げた方式のほかにも、研究段階の方式がある。トポロジカル方式は、半導体と超伝導体を組み合わせた細い線に現れるとされる特殊な状態（マヨラナゼロモード）を使い、原理的に誤りに強い量子ビットを目指している。ただし、その状態が実際にできているかどうかは、実証をめぐって議論が続いている（Aghaee et al., 2025; Legg, 2025）。分子を使う方式は、分子の中の電子や原子核のスピンを量子ビットに使い、化学合成で分子の構造を設計できることを生かそうとしている。ヘリウム上の電子を使う方式は、固体化した希ガスや液体ヘリウムの表面に捕まえた電子を量子ビットに使い、表面に不純物がないことで量子の性質が守られる。
2-6. 光方式
光方式は、光子の偏光や時間位置、あるいは光の振幅に量子情報を載せ、ビームスプリッタなどの光学素子で操作し、光検出器で読み出す。量子情報を担う光と、それを操作する光学回路は常温で動作する。光の損失が主な制約になる。光方式は、冷却の要件と規模の広げ方が他の方式と大きく違う〔→ 3. 光量子コンピュータの利点と弱点〕。
参考文献
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