記録破りの53量子ビット量子シミュレーターを発表

• 物理学者は 53 個の相互作用する量子磁石を構築し、1000 兆個の磁石構成を可能にしました。
• 原子量子ビットを使用して複雑な量子物質を模倣する、制限付きタイプの量子コンピューターです。
• 彼らは各量子ビットを約 99% の効率で測定しました。

メリーランド大学と国立標準技術研究所の物理学者は、53 個の相互作用する原子量子ビットを使用して磁気量子物質を模倣し、新記録を樹立しました。これは、個々の量子ビットの高効率なシングルショット測定によりこれまでに実施された最大の量子シミュレーションです。

彼らは最大 53 個のイッテルビウム イオンを使用しました。これらのイオンは、かみそりのように鋭い、金でコーティングされた電極によって捕捉された原子が変化したものです。 MIT とハーバード大学の科学者によって開発された補完システムでは、レーザー ビームによって閉じ込められた 51 個のルビジウム原子が使用されます。この実験的なプラットフォームは、最新のスーパーコンピューターの限界をはるかに超えた難しい量子問題 (イジング サンプリングなど) を解決するために拡張できる可能性があります。

トラップされたイオン量子ビットの数が少ないシミュレーションはすでに実証されており、スピン間の相互作用をより高度に制御できるようになったことで、このシステムをユニバーサル量子コンピューターにアップグレードできるようになりました。

すべてのイオン量子ビットは安定した原子時計であり、簡単に複製できます。外部レーザー ビームを使用してそれらを効率的に結合するため、内部設定を乱すことなく同じデバイスを再構成できます。これは、将来登場するあらゆる種類の量子コンピューティング アプリに適応するために行われます。彼らが実際に何を開発し、それがどのように役立つのかを見てみましょう。

量子シミュレーターとは何ですか?

量子システムは研究室で研究するのが難しく、スーパーコンピューターを使用してモデル化することはほとんど不可能です。そのため、私たちは量子コンピューティングのパターンと機能を研究するために量子シミュレーターを使用します。これらは、特定の物理問題の詳細を提供するために特別に開発されました。

複数の粒子を含む量子システムをシミュレートする技術は、従来のコンピューターでは指数関数的な時間を必要とします。ただし、元のシステムの粒子の数と同様の複数の量子ビットを使用して、量子コンピューターを通じてそれをシミュレートできます。これは、量子システムの幅広いカテゴリに拡張されています。

これまで、量子シミュレータは、トラップされたイオン、超伝導回路、極低温量子ガス、フォトニック システムなどの多数のプラットフォーム上で実現されてきました。

量子問題に量子ハードウェアを使用する

最新のスーパーコンピューターは、相互作用する量子オブジェクトを 20 個以上処理できません。これは量子磁気の場合であり、相互作用によって量子スケールでの磁気配列が起こる可能性があります。

各磁石がシステム内の他のすべての磁石と相互作用するため、量子問題は通常は困難です。物理学者が開発したシミュレータには相互作用する量子磁石が 53 個あり、千兆個の磁石構成が可能です。この数は、磁石を 1 つ追加するたびに 2 倍になります。

これは、複雑な量子物質を模倣するために量子ビットを使用する、制限されたタイプの量子コンピューターです。量子ビットは分離でき、同時に 2 つ以上の状態になることができます。量子ビットにはさまざまな形式があり、量子ビットを構築するのに最も好ましい選択肢は、あらゆる物質の多用途な構成要素である原子です。ここ数年、物理学者は小規模量子シミュレーションで最大 20 量子ビットを制御することに大きな成功を収めてきました。

Atom を使用する理由

デバイスの量子的性質を保護するには、量子ビットを環境から隔離したままにする必要があります。各量子ビットが追加されると、特に製造された回路のように量子ビットが最初から同一でない場合、保護はさらに難しくなります。これが、量子ビットとして原子が好ましい選択肢である主な理由の 1 つです。原子を使用すると、量子機械は、製造された回路と比較して簡単にスケールアップできます。

今日のコンピューターとは異なり、原子量子ビットは室温の真空チャンバー内に保存され、その圧力は宇宙空間とほぼ同じに保たれます。量子ビットを分離すると、物理学者は特殊なレーザー、ミラー、光ファイバー、レンズ、電気回路を使用して原子量子ビットを正確に制御できるようになります。
現在、ほとんどの巨大テクノロジー企業、大学、さらには新興企業が、多数の量子ビットを制御できる量子マシンのプロトタイプの開発に注力しています。

53 量子ビット シミュレータ

すべての原子量子ビットは同じ電荷を持っているため、互いに反発します。それらが互いに遠ざかるにつれて、カスタマイズされた電場がそれらを強制的に近づけます。これら 2 つの力が互いにバランスをとり、イオンを 1 本の直線に保ちます。科学者は固有の反発を利用してイオン間の相互作用を生成します。これは相互作用する量子物質のシミュレーションに不可欠です。

レーザーパルスはすべての量子ビットを制御し、量子シミュレーションを開始するためにそれらを同じ状態に命令します。次に、別のレーザー ビームのセットが原子量子ビットと相互作用し、原子量子ビットを小さな磁石のように機能させます。これで、量子ビットはランダムな方向を向いて磁化がなくなるか、またはその極を隣接する極と揃えて強磁性体を作成することができます。科学者はビームの強度を変更し、さまざまなレーザー条件下でどの位相が勝つかを分析できます。

参考:メリーランド大学 |自然 | DOI:10.1038/nature24654

シミュレーション全体が完了するまでにかかる時間はわずか数ミリ秒です。このプロセスを数回繰り返し、さまざまな時点での最終状態を分析することで、科学者はプロセスの展開を最初から最後まで観察できます。さまざまなフェーズに従って量子ビットの磁石がどのように組織されるかを理解するのに役立ちます。

原子量子ビットをレーザーで操作するアーティストの描画 | 写真クレジット:E. Edwards/JQI

研究チームは、制御可能な範囲と強度を備えた長距離相互作用を適用し、約 99% の効率で各量子ビットを計算しました。これは、量子ビット間の多くの物体相関を 1 ショットで計算できることを意味し、動的相転移を直接調査して、量子ビット間の高い接続性と長距離相互作用に依存する扱いにくい特徴を明らかにできることを意味します。

シミュレータは磁性物質の調査には適していますが、さまざまな種類の計算を効果的に実行するには、プログラム可能な相互作用を備えたより一般的な量子マシンが必要です。

次は何ですか?

このようなタイプの量子シミュレーターは、科学者が量子回路を実装し、最終的には複数のイオンチェーンを量子接続して、幅広い用途に対応した完全な量子コンピューターを開発するのに役立ちます。

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研究チームは、まもなく最大 100 個以上のイオン量子ビットを制御できるようになるだろうと主張しています。その時点で、材料設計と量子化学におけるさらに困難な問題を探求できる可能性があります。一方、D-Wave は、チップ上で 2,000 量子ビットを生成していると主張しています。

対照的に、Intel、Google、IBM は超伝導電子回路を採用して独自の量子コンピューターを構築しています。