53量子ビット量子シミュレータ、世界記録を樹立

メリーランド大学とNIST、53個の相互作用する原子量子ビットで磁性量子物質を模倣

メリーランド大学と国立標準技術研究所（NIST）の物理学者たちが、53個の相互作用する原子量子ビットを用いて磁性量子物質を模倣し、世界記録を樹立しました。個々の量子ビットを約99%の効率で単一ショット測定可能な、過去最大規模の量子シミュレーションです。最大53個のイッテルビウムイオン（剃刀のように鋭い金メッキ電極でトラップされた変性原子）を使用しました。MITとハーバードの科学者たちによる補完的システムは、レーザービームで閉じ込められた51個のルビジウム原子を使用しています。この実験プラットフォームは、最速の現代スーパーコンピュータの限界を遥かに超える難解な量子問題（アイジングサンプリングなど）を解くために拡張可能です。より少数のトラップイオン量子ビットでのシミュレーションは既に実証されていますが、スピン間相互作用のより高度な制御により、このシステムを汎用量子コンピュータへアップグレードできます。全イオン量子ビットは安定した原子時計であり、容易に複製可能。外部レーザービームで効率的に結合させるため、内部設定を乱すことなく同一デバイスを再構成可能で、将来現れ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できます。

量子シミュレータとは何か

量子系は実験室での研究が難しく、スーパーコンピュータでのモデリングはほぼ不可能です。そのため、量子シミュレータを用いて量子コンピューティングのパターンと特徴を研究します。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ています。従来コンピュータで複数粒子の量子系をシミュレートするには指数関数的な時間が必要ですが、元の系の粒子数と同様の複数量子ビットを用いた量子コンピュータでシミュレート可能です。これは幅広い量子系カテゴリに拡張されてきました。これまで、トラップイオン、超伝導回路、超低温量子ガス、光子系など多くのプラットフォームで量子シミュレータが実現されています。

量子ハードウェアで量子問題を解く

現代のスーパーコンピュータは、20個以上の相互作用する量子オブジェクトを扱えません。これは量子磁性のケースで、相互作用が量子スケールで磁気配列を引き起こすためです。量子問題が困難なのは、各磁石が系内の他の全磁石と相互作用するためです。開発されたシミュレータには53個の相互作用する量子磁石があり、1000兆（10^15）通りの磁石配置が可能です。磁石が1個増えるごとにこの数は2倍になります。これは量子ビットを用い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です。量子ビットは隔離可能で、同時に2つ以上の状態を取れます。様々な形態がありますが、原子は全物質の汎用的な構成要素として、量子ビット構築の最有力選択肢です。過去数年間、物理学者たちは小規模量子シミュレーションで最大20量子ビットの制御に大きな成功を収めてきました。

なぜ原子なのか

デバイスの量子性を守るには、量子ビットを環境から隔離する必要があります。量子ビット追加ごとに保護は難しくなり、特に最初から同一でない（製造回路の場合など）ときに顕著です。これが原子が量子ビットの最適な選択肢である主理由の一つです。原子を用いれば、製造回路よりも容易に量子機械をスケールアップできます。今日のコンピュータとは異なり、原子量子ビットは室温の真空チャンバー内に格納され、その圧力は外宇宙と非常に似ています。量子ビットの隔離により、特殊レーザー、ミラー、光ファイバー、レンズ、電気回路で原子量子ビットを精密に制御可能です。現在、大手テック企業、大学、スタートアップの多くが、多数の量子ビットを制御できる量子マシンプロトタイプ開発に注力しています。

53量子ビットシミュレータの詳細

全原子量子ビットは同じ電荷を持つため反発し合います。互いに押し離れ合う際、カスタマイズされた電場がそれらを引き戻します。この2つの力が釣り合い、イオンが一列に並びます。科学者たちはこの固有の反発を利用し、イオン間相互作用を生成します。これは相互作用する量子物質をシミュレートする上で不可欠です。レーザーパルスが全量子ビットを制御し、量子シミュレーション開始のために同じ状態にコマンドします。別のレーザービーム群が原子量子ビットと相互作用し、それらを微小な磁石のように振る舞わせます。量子ビットはランダムな方向を向き無磁化状態になるか、隣と極を揃えて強磁性体を形成します。科学者たちはビーム強度を変え、様々なレーザー条件下でどの相が勝つかを分析します。シミュレーション全体はわずか数ミリ秒で完了します。このプロセスを何度も繰り返し、異なる時点での最終状態を分析することで、量子ビット磁石が異なる相に従ってどう組織化されるかを始まりから終わりまで観察できます。研究チームは、制御可能な範囲と強度を持つ長距離相互作用を適用し、各量子ビットを約99%の効率で測定しました。これにより、量子ビット間の多体相関をワンショットで計算可能になり、動的相転移を直接探査し、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ます。このシミュレータは磁性物質の探査に適していますが、異なる種類の計算には、プログラム可能な相互作用を持つより汎用的な量子マシンが必要です。

今後の展望

このタイプの量子シミュレータは、科学者が量子回路を実装し、最終的には複数イオン鎖を量子接続して、幅広い応用を持つ完全な量子コンピュータを開発するのに役立ちます。研究チームは、近く100個以上のイオン量子ビットを制御可能になると主張しています。その時点で、材料設計と量子化学のさらなる難問を探求できる可能性があります。一方、D-Waveはチップ上で2000量子ビットを生産すると主張しています。対照的に、Intel、Google、IBMは超伝導電子回路で独自の量子コンピュータを構築しています。