物理学者は、記録破りの53キュービット量子コンピューターを作成しました

ビデオ: 物理学者は、記録破りの53キュービット量子コンピューターを作成しました

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
ビデオ: 4F 量子コンピュータが拓く未来:MDR株式会社 湊 雄一郎氏 2023, 2月
物理学者は、記録破りの53キュービット量子コンピューターを作成しました
物理学者は、記録破りの53キュービット量子コンピューターを作成しました
Anonim
Image
Image

原子-光トラップ内のキュービット

ジャーナルNatureの新刊では、51キュービットと53キュービットの量子コンピューターを使用した量子システムの記録的な大規模シミュレーションに関する2つの記事が同時に発行されました。物理学者は、このような多数のキュービットを初めてコヒーレントで完全に制御可能な状態に維持することができただけでなく、現代の古典的なコンピューターの能力にアクセスできない多粒子非平衡状態を直接調査しました。特に、科学者たちはこれまでに説明されていない異常に安定した遷移状態を検出することができました。このような計算機は、材料で超伝導または磁性がどのように発生するかを正確に示すことができます。将来的には、そのようなシステムは、普遍的なプログラム可能な量子コンピューターの基礎を形成するかもしれません。

最初の研究は、ロシア量子センターの共同創設者でハーバード大学の教授であるミハイル・ルキンのリーダーシップの下で実施されました。51キュービットのコンピューターは、光トラップ内の中性原子に基づいて構築されています。この研究についてはすでに以前に報告しましたが、この記事が科学的レビューの手順を通過して公開されたのは今だけです。 2番目の研究は、メリーランド大学のクリストファーモンローのグループで実施されました。これは、光トラップ内のイオンに基づく53キュービットシステムです。

量子システムの特性と振る舞いは、通常の磁石でさえ、古典的なコンピューターでシミュレートすることは非常に困難です。これは、量子システムが同時に膨大な数の量子状態にあるという事実によるものです-そしてこの数は、システム内の粒子(たとえば、磁性原子)の数の増加とともに急速に(指数関数的に)増加します。量子現象をうまく予測するために、物理学者は量子ビットに基づく特別なコンピューター、つまり量子ビットを開発しています。これらのオブジェクトは、研究中のシステムで量子粒子の役割を果たします。コンピューターは、対象のシステムが配置されている条件を再現し、キュービットがそれらの中で自由に進化し、システムの動作を繰り返します。言い換えれば、量子コンピューターは、超伝導体であろうと磁性材料のスピンの鎖であろうと、実際の量子システムの類似物です。

今日、100キュービット以上を含むコンピューターがあります。ただし、これらのキュービットの個々の状態を制御する可能性は限られています。つまり、特定のクラスのシステムを研究するためにのみ使用できます。ユニバーサル-キュービットを制御するという意味で-コンピュータはこれまで20キュービットに制限されてきました。新しい作品では、この数がほぼ2.5倍に劇的に増加します。これは、シミュレートされたシステムの複雑さが大幅に増加することに相当します(30キュービットを追加すると、複雑さが230倍になります)。

どちらの実験も同様のパターンに従います。キュービットの役割は、中性のルビジウム-87原子またはイッテルビウム-171イオンのいずれかによって果たされます。最初の段階では、原子は光トラップに捕捉され、そこでレーザーの電磁場に保持されます。次に、状態が準備されます-粒子は、レーザーパルスの助けを借りて、目的のエネルギー状態に転送されます。これに「量子硬化」が続きます。外部環境が急激に変化し(たとえば、磁場や追加のレーザーがオンになる)、トラップがオフになります。電卓の状態は進化し、その後、研究者は進化の結果を調べます。

Image
Image

ミハイル・ルキンのグループでの実験のスキーム。リュードベリ遮断により、励起された中性ルビジウム原子がグループ化され、グループのサイズは励起された放射線の周波数によって決定されます

したがって、ミハイル・ルキンのグループでは、物理学者はリュードベリ結晶の形成を見ました。「硬化」は、ルビジウム原子の電子が非常に高いエネルギーレベル(70番目)に励起されたという事実にありました。原子を励起するレーザーの周波数に応じて、いわゆるリュードベリ遮断が観察されます。原子の1つがリュードベリ状態になると、最も近い(または最も近い)隣人が同じことをするのを防ぎます。その結果、1つ、2つ、3つ、または4つのリュードベリ原子からなる交代群が均一な鎖で形成されます。

科学者たちは、このような「結晶」状態への移行がどのように発生するかを詳細に観察しています。原子の鎖の中で、結晶領域の境界が生じます-ドメイン壁、その上でリュードベリ原子のグループの「正しい交代」が破られます。一次元結晶の秩序化は、単純なモデルから予想されるよりもはるかにゆっくりと達成されることがわかります。システムは、いくつかの状態間で長時間「振動」します。

クリストファー・モンローのグループは、別のよく知られた現象、つまり磁気モーメントの連鎖の磁化反転を調査しました。マグネタイトのような材料は、原子の特殊な特性のために磁性を帯びています。それらのいくつかは、電子の重要な(そして主に量子)特性であるスピンのために、小さな磁石のように振る舞うことができます。材料のすべてのスピンが同じ方向を向いている場合、材料全体も磁石のように動作します。この状態は強磁性秩序と呼ばれます。

Image
Image

クリストファーモンローのグループによる実験の概略図。イオンのスピンが秩序化され、次に垂直磁場がオンになります。スピンを強制的に回転させて歳差運動させます(軸を中心にスピンし、円錐を表します)。次に、測定が行われます

科学者たちは、そのような共方向のスピンの連鎖を作成しました。その役割はイッテルビウムイオンによって果たされました。次に、計算機で横磁場をオンにし、イオンを自由に発生させました。磁場はスピンを強制的に90度回転させ、反対に、隣接するイオン間の相互作用はスピンの方向を維持します。

磁場が弱くなると、スピンの方向が元の磁化方向を中心に回転し始めました。場が増えると、回転はどんどん強くなり、ある瞬間、チェーンはスピンの方向を垂直に変えました。これは、物理学の詳細に見られるように、場と同じ方向です。

Image
Image

明るい点は、スピンが上向きの状態のイッテルビウムイオンです。イッテルビウムイオンが画像に表示されていない場合(磁場をオンにした後)、そのスピン投影は反対方向に向けられます

モンローグループの実験の重要な違いは、鎖内のキュービットが中性原子よりもはるかに強く相互作用したことです。静電反発力はファンデルワールスよりもはるかに強力です。このため、長距離秩序効果(イオンと最近傍だけでなく、遠方の量子ビットとの相互作用)もこのような計算機で重要な役割を果たしました。

クリストファー・モンローは、プログラム可能なユニバーサル量子コンピューターは、光トラップ内のイオンに基づいてすでに作成されていると述べていますが、それらには5キュービットしか含まれていませんでした。新しい作業は、より複雑なデバイスを作成するために使用できます。科学者たちは、50キュービット以上を含むプログラム可能なユニバーサル量子コンピューターが「量子優位性」を達成すると予測しています。これは、現代のスーパーコンピューターでの計算では明らかにアクセスできない問題を解決できるでしょう。これらの問題には、数の因数分解(素因数への分解)とさまざまな最適化問題の両方が含まれます。

モンローグループとルーキングループによって実行されたモデリングは、現代のコンピューターでは正確に解決できない問題をすでに参照していることは注目に値します。スーパーコンピューターのメモリは、これらの量子システムのすべての可能な状態を格納するだけでは十分ではありません。

トピックによって人気があります