256キュービットの特殊な量子コンピューターを物理学者が開発

量子コンピューティングにおける大きな進歩として、ハーバード・ミットセンター_for_ウルトラコールド原子と他の大学からの物理学者のチームは、特殊なタイプの量子コンピューターを作成しました。このシステムは、プログラム可能な量子シミュレーターと呼ばれ、256個の量子ビット、または「キュービット」で動作できます。キュービットは、量子コンピューターの動作に不可欠であり、処理能力の源です。

新しい開発は、我々を大規模な量子マシンの達成に近づけ、複雑な量子プロセスに関する深い洞察を得ることができます。また、材料科学、通信技術、金融、現在研究で障害に直面している他の分野での重大な影響をもたらす可能性があります。

この研究は、7月9日にネイチャーに公開されました。

分野を前進させる

ミハイル・ルーキンは、物理学のジョージ・ヴァスメル・レバレット教授であり、ハーバード量子イニシアチブの共同ディレクターでもあります。また、彼は研究の共同著者の一人です。

「これは、誰もがこれまでに到達したことのない新しいドメインに分野を導きます」とルーキンは述べました。「私たちは、完全に新しい量子世界の一部に入っています」。

セペール・エバディは、グラジュエート・スクール・オブ・アーツ・アンド・サイエンスの物理学の学生であり、研究の第一著者です。

エバディによると、システムの最も重要な特徴は、そのサイズとプログラム可能性であり、最も優れたシステムの一つとなっています。極めて小さなスケールでの物質の特性を利用することで、処理能力を向上させることができます。キュービットの増加は、システムが古典ビットよりも指数関数的に多くの情報を格納および処理できることを意味します。

「256個のキュービットで可能な量子状態の数は、太陽系の原子の数を超えます」とエバディは述べました。

シミュレーターは、研究者が、物質のエキゾチックな量子状態を観察し、量子相転移の研究を実行することを可能にしました。これは非常に正確で、磁気性が量子レベルでどのように機能するかを実証しました。

研究者によると、これらの実験は、科学者が新しい材料をエキゾチックな特性で設計する方法を学ぶのに役立つ可能性があります。

新しいシステム

このプロジェクトは、2017年に研究者によって開発されたプラットフォームに依存していますが、この回は大幅にアップグレードされています。過去には51キュービットのサイズに達し、研究者が超冷却ルビジウム原子を捕獲し、一次元の個別に焦点を当てたレーザービームの配列を使用して特定の順序で配置することを可能にしました。

このシステムでは、原子を二次元の光学ピンセットの配列に組み立てることができます。これは、レーザービームの名称です。これにより、達成可能なシステムのサイズが51キュービットから256キュービットに増加します。研究者は、ピンセットを使用して原子を欠陥のないパターンに配置し、プログラム可能な形状を作成し、キュービット間のさまざまな相互作用を可能にします。

「この新しいプラットフォームの主力は、空間光モジュレーターと呼ばれるデバイスであり、光学波状面を形成して数百の個別に焦点を当てた光学ピンセットビームを生成します」とエバディは述べました。「これらのデバイスは、基本的にコンピュータープロジェクター内で画像を表示するために使用されるものと同じですが、私たちはそれらを量子シミュレーターの重要なコンポーネントとして適応させました」。

原子が最初にランダムに光学ピンセットにロードされ、研究者が原子を移動してターゲット幾何学的配置に配置します。原子を目的の位置にドラッグするために、2番目の移動光学ピンセットのセットが使用され、初期のランダム性が排除されます。レーザーは、研究者が原子キュービットの配置とその一貫した量子操作を完全に制御できるようにします。

トゥット・ワンは、ハーバード大学の物理学の研究アソシエートであり、論文の著者の一人です。

「私たちの仕事は、より大きなより優れた量子コンピューターを構築するための、非常に激しい、高度な世界的なレースの一部です」とワンは述べました。「全体的な努力（私たちのものを超えて）は、トップの学術研究機関の関与と、Google (GOOGL ) 、IBM、Amazon (AMZN ) 、その他多くの企業からの主要な民間部門の投資を含みます」。

チームは、キュービットの制御を改善し、システムをよりプログラム可能にすることでシステムを改善する作業に取り組んでいます。研究者によると、可能な応用例として、エキゾチックな量子物質の探査や、キュービットに自然にエンコードできる実世界の問題の解決が含まれています。

「この研究は、多数の新しい科学的方向性を可能にします」とエバディは述べました。「私たちは、これらのシステムでできることの限界に近づいていません」。