量子コンピューターは、複雑で想像を絶する問題を実行するという優れた約束を提供するための努力を惜しみません。これは、現在知られている古典的なコンピューターの範囲をはるかに超えており、適切な時間内に高精度で実行されます。
量子力学の中心的な原理に基づくコンピューティングの新しいアプローチは、膨大な用途を持ち、ユビキタスな分野に革命を起こす可能性があります。新しい薬や材料を発見するのに役立つかもしれません。金融サービスの再構築、資金の管理、大規模なデータセットにより、投資方法が変わる可能性があります。人工知能、最適化、機械学習の大きな進歩につながる可能性があります。サプライ チェーンとロジスティクスの最適なソリューションの発見を促進し、並列計算の効率を高め、安全なネットワーク アプリケーションを作成し、分子構造をシミュレートし、解読できないコードを解読し、さらには暗号化と暗号化を解読することさえできます。これにより、将来のテクノロジーが有効になる可能性があります [1,2]。
量子計算の潜在的な可能性は、いくつかの分野で人間が直面する考えられる限界を克服するための最良の解決策になる可能性があります。その影響は無限にあるようです。
量子コンピューターは完全に異なる概念です。バイナリ ロジックに依存するのではなく、量子ビットまたはキュービットと呼ばれるものに依存します。基本的に、通常のビットに対するキュービットの大きな利点は、それらが状態の重ね合わせで存在することです。したがって、標準ビットは 1 または 0 のいずれかであるのに対し、キュービットは 1、0、または同時に 1 と 0 の両方である可能性があります。迷路がある場合、バイナリ コンピューターは時間をかけて各パスを個別に評価する必要があります。量子コンピューターはあらゆる可能性を同時に評価します。
量子計算と通信の最も一般的な方法は、ゲートベースです。量子ゲートは、量子力学の法則に基づいて情報を処理および変換するために使用されます。量子ビットを受け取り、それを新しい状態に変換します。量子ゲートは、従来のコンピューターの古典的な論理ゲートのような、量子コンピューターの構成要素です。それらは通常、量子状態の重ね合わせに作用します。このような一連の有限数のゲートは、量子システムで計算を実行するための手順である量子アルゴリズムを構築できます。量子コンピューターを構築する際の障害は、量子ビット間の量子ゲートの物理的な実装を見つけることと同じです [3-5]。これらは、複雑なアルゴリズムと操作をエンコードするための基本的なビルディング ブロックを提供します [6]。
量子ビットを構築するために、多くの物理スキーム [7-14] が提案されています。そのような提案の最高の成功は、量子コンピューターを構築するための要件を満たすように物理スキームを設計できるレベルに依存します。これは DiVincenzo 基準 [15] として知られています。これらの要件のいずれかを個別に満たすことは、簡単に達成できます。ただし、すべての DiVincenzo 要件を一緒に満たすことは困難であり、量子計算に関する最近の研究の最前線にあります [14]。
100 年前に誕生して以来、量子力学はほぼ毎年、予想外の何かを提供してきました。特に、ここ数十年で、理論的および実用的な進歩が劇的に増加しました。しかし、量子力学における最もエキサイティングな開発は、従来のコンピューターを超える計算能力を備えた本物の量子コンピューターの構築に関連する特定のものです。
しかし、2017 年 11 月に IBM は 50 キュービットの量子コンピューターを発表し [16]、間もなく 100 キュービットの量子コンピューターに到達する可能性があります。量子コンピューターは、構築するのも維持するのも難しいものです。それらは非常に壊れやすく、機能するためだけに膨大な量のインフラストラクチャを必要とします。技術はここにありますが [17-20]、本格的な実装にはいくつかの障壁があります。
プロセッサは 100 分の 1 度以内でほぼ完全にゼロの温度に保つ必要があるため、物理的な問題を処理する必要性などの条件付きの必要性は、ハードウェアが IBM ラボなどの実験室に存在する必要があることを意味します。また、最大の制限の 1 つはデコヒーレンスの問題です。実際には、完全に分離されたシステムは存在しないことはよく知られています。デコヒーレンスは、システムから環境への量子情報の損失と見なすことができます。量子状態は微妙なオブジェクトです。くしゃみをすると消えます。
大事なことを言い忘れましたが、J. Preskill が「量子超越性」と呼んだもの、つまり量子コンピューターが他の方法では不可能と考えられていたタスクを処理できる位置に到達する希望です [21-24]。量子ビットによって生成されるすべてのノイズを処理できるように進歩しなければ、量子計算は意味がありません。
量子コンピューターを実装するための最も有望なアーキテクチャの 1 つは、回路量子電気力学 (回路 QED) [26] と呼ばれます。高フィネス光学キャビティ内に配置された、人工原子として動作する超伝導回路間の相互作用を研究しています[27、28]。このアーキテクチャは、単一の原子と光子のレベルで光と物質の相互作用を分析することを可能にする回路の低消費と小さなモードボリュームなどのいくつかの特徴によって際立っています[29]。 超伝導キュービットにおけるデコヒーレンスの主な原因は、開放量子系における緩和とディフェーズ [30] であり、各実装スキームは、独自の緩和時間とディフェーズ時間によって区別されます。したがって、これらの時間よりも短い時間で計算を実装する必要があります。
図（1）に示すように、3 つの直接結合された超伝導量子システム、2 つの超伝導位相キュービット、および 1 つの共振空洞 [31] で構成され、空洞内に存在する光子数の影響を調査するために使用された物理モデルは、次のようになります。制御のパラメーター、および量子アルゴリズムの実装時間への影響。
アブガネムら。アル。 [32] では、回路 QED の量子アルゴリズムを実現するために、キャビティ内の光子数が 1 および 2 キュービット量子ゲートの実現時間に及ぼす影響を調査するための詳細な実験手順を使用して、新しいアプローチを提案および分析します。 .
この研究は、量子アルゴリズムの実現時間を制御するための優れたパラメーターとして、光子数を文脈上使用することを示しています。量子アルゴリズムを実現するのに必要な時間は、共振空洞内の光子の数に依存することが示されています。ある意味では、光子数が量子ビット数をわずかに上回ると、それに応じて実現時間が減少します。
私たちの調査結果は、マルチキュービットアルゴリズムを実現できるシステムの特性をよりよく理解することにつながります。さらに、提案された手法を使用してプロトコルを実装するための時間は、さまざまな以前のスキームと比較されます。
結果は、量子アルゴリズムを設計するためのマルチキュービット多光子状態の実現への完全な統合の可能性を示しています。これは、光子数が量子ビット数よりもわずかに増加したシステムでマルチ量子ビットアルゴリズムを実現できるという直接的な証拠となります。このようなアルゴリズムは、システムのディフェーズおよび緩和時間よりもかなり短い時間で実装できます。
願わくば、私たちの結果がマルチキュービット多光子状態の完全な統合への道を開くことを願っています。さらに、この研究から生まれた技術は、将来の実験で、おそらくよりスケーラブルな他の量子コンピューターの実装で使用される可能性があります。
これらの調査結果は、ジャーナル Frontiers of Physics に最近掲載された新しい量子アルゴリズムの実装処理としてのキャビティ制御というタイトルの記事で説明されています。 .
参考文献:
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