物理学者が256量子ビットを備えた特殊な量子コンピューターを開発

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＝MIT 超冷原子センターと他の大学の物理学者のチームが、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「量子ビット」と呼ばれるもので動作できます。量子ビットは、量子コンピューターの動作に不可欠であり、処理能力の源となります。

この新しい開発により、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る大規模な量子マシンを実現することが近づきました。これらは、材料科学、通信技術、金融、その他の現在研究で障壁に直面している分野などで重大な影響を与える可能性があります。

この研究は、7月9日にNatureに発表されました。

分野を前進させる

ミハイル・ルーキンは、ハーバード大学の物理学のジョージ・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進めるものです」とルーキンは述べました。「私たちは、完全に新しい量子の世界に入ります」。

セペール・エバディは、ハーバード大学大学院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、これにより、トップレベルのシステムの1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して、処理能力を向上させることができます。量子ビットの増加により、クラシカル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ます。

「256個の量子ビットだけで可能な量子状態の数は、太陽系内の原子の数を上回ります」とエバディは述べました。

シミュレーターは、研究者が物質の特殊な量子状態を観察することを可能にし、また極めて精密な量子相転移の研究を実行し、磁気の量子レベルでの動作を実証しました。

研究者によると、これらの実験は、科学者が特殊な特性を持つ新しい材料を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を使用していますが、この回は大幅に改良されています。以前は51個の量子ビットのサイズに達することができ、研究者は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ができました。

このシステムでは、原子を2次元の光学的なピンセットの配列に配置することができます。これにより、51個の量子ビットから256個の量子ビットへのシステムサイズの拡大が可能になります。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、量子ビット間の異なる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、個別に焦点を当てた数百の光学的なピンセットビームを生成するために使用されます」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画面に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的なピンセットにロードされた後、研究者は原子を移動させ、ターゲットの幾何学的配置に配置します。2番目のセットの移動する光学的なピンセットは、原子を目的の場所にドラッグするために使用され、初期のランダム性を排除します。レーザーは、研究者が原子の位置とその一貫した量子操作を完全に制御することを可能にします。

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、より大きなより良い量子コンピューターを構築するための、非常に激しい、高い可視性の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、IBM、Amazonなどの多くの主要な民間セクターの投資を伴っています」。

チームは現在、レーザーの制御を改善し、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を進めています。研究者によると、可能な応用例として、特殊な量子物質の形態を探ることや、量子ビットに自然にエンコードできる実世界の問題を解決することが含まれています。

「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」。