愛好家の予測によると、量子コンピューターはいつの日か、デジタル暗号の解読から特効薬の設計まで、果てしなく奇跡を起こすようになるでしょう。ただし、この初期段階では、多くの量子アルゴリズムの利点は推測にすぎません。また、一部の研究者は、原子レベルで必要な制御を行うことさえ可能かどうか疑問に思っています。 「これは非常に困難な目標です」とハーバード大学の物理学者 Markus Greiner は言いました。
しかし、本格的な量子コンピューターがなくても、物理学者は関連するより専門的なタイプのマシン (量子シミュレーター) を使用して、この分野の当初の目的の 1 つである、量子システムのビザンチン動作をエミュレートすることを実現しています。
リチャード ファインマンが 1981 年の講義で述べたように、「自然は古典的ではありません。くそー。自然のシミュレーションを作成したい場合は、量子力学的に作成した方がよいでしょう。」
過去数年間、パリとマサチューセッツ州ケンブリッジのグループは、ダークホース型の量子シミュレーターを使用して、この目的に向けて大きな進歩を遂げてきました。彼らは、従来のコンピューターで複製するには数か月以上かかる一連のシミュレーションを行いました。
「彼らは物理学の最前線のいくつかを探求してきました」と、現在ニューメキシコ大学にいる技術のパイオニアである Ivan Deutsch は言いました。
今日、ケンブリッジのグループは、これまでで最も重要な発見を発表しました。それは、量子スピン液体として知られるとらえどころのない物質状態の検出です。これは、物質が組織化される方法を概説する 100 年前のパラダイムの外に存在します。これは、エキゾチックな状態を予測する 50 年近く前の理論を裏付けています。また、真に有用なユニバーサル量子コンピューターを構築するという夢への一歩でもあります。
カリフォルニア大学バークレー校の凝縮物質理論家である Ehud Altman は、次のように述べています。
中立を保つ
新しい研究では、中性原子に基づく量子コンピューティングへの新しいアプローチが使用されています。この方法は、超伝導回路やトラップされたイオンなどのより一般的な量子コンピューティング技術に遅れをとっていますが、中性原子には、量子エンジニアの想像力を長い間捉えてきた特別な特性があります。
量子コンピューターを構築するための鍵は、2 つの相反する要件を満たす量子ビット (従来のビットに似た量子オブジェクト) のコレクションを組み立てることです。量子ビットは、最初に外界からファイアウォールで保護する必要があります。そうしないと、振動と熱によって量子ビットのモジョが破壊されます。しかし、それらは同時にアクセス可能で操作可能でなければなりません。
中性原子は、これらの要求を特にうまくバランスさせると、支持者は言います。レーザー ビームは、トラクター ビームのように原子を捕捉して移動させ、外部干渉から保護します。追加のレーザー パルスは、従来のビットを反転させるのと同様に、原子を超大型の「リュードベリ」状態に膨らませることができます。重要なことに、これらの中性原子キュービットは、一度に大小の「重ね合わせ」を想定でき、量子コンピューティングの 2 つの重要な要素である「エンタングルメント」を通じてリモートで相互に接続することもできます。
研究者たちは、20 年にわたって中性原子の制御を拡大してきました。先駆的なグループは、2001 年にレーザー「ピンセット」で単一の原子をつかみ、2010 年に原子のペアをもつれさせました。2016 年に、ケンブリッジとパリのグループが数十個の原子の大群を論争させる方法を見つけたとき、ブレークスルーが起こりました。次世代マシンは 3 桁に達しており、将来のコンピューターは量子現象の強力なシミュレーターになっています。
「100 または 50 キュービットではなく、256 キュービットについて話している」と Deutsch 氏は述べています。 「それは本当に重要です。」
研究者は、これらの中性原子のグリッドを使用して、量子物質の相を調べてきました。これらは、おなじみの液体と固体の相に似ていますが、重ね合わせと絡み合いをミックスに投入することで、よりエキゾチックで複雑な構成が可能になります。量子相の探査は基本的な追求ですが、高温超伝導の原因を理解するなど、実用的な応用も可能です。
凝縮系の物理学者は、自然界にある結晶と、研究室で成長できるものを使用して、そのような相を研究しています。しかし、中性原子の研究者は、原子を任意の形状の格子に正確に配置し、リュードベリ状態の操作を通じて特注の原子相互作用をエンジニアリングすることで、問題を柔軟に「プログラム」することができます。
ケンブリッジ グループのリーダーである Mikhail Lukin 氏は、「基本的には人工水晶を組み立てます」と述べています。
この夏、Cambridge と Paris の両グループは、それぞれ 256 個と 196 個の原子の配列について、磁気の教科書理論 (量子イジング モデル) をシミュレートし、温度の変化に伴って磁気のポケットがどのように成長および収縮するかを初めて正確に測定しました。シミュレーションは、従来のコンピューターで行うには数か月かかっていたでしょう。 「実験装置は、物事をシミュレートしようとすることが非現実的になる段階にあります」と、パリのグループで働いている物理学者のティエリー・ラエは言いました.両チームは、Nature で量子イジング シミュレーションについて説明しました
現在、ハーバード大学の Lukin のチーム、ハーバード大学の Greiner の研究室、およびマサチューセッツ工科大学の Vladan Vuletić のグループで構成されるケンブリッジ共同研究は、彼らの量子シミュレーターを使用して、物質の長い間求められていた相を調査しました。
1973 年、凝縮物質のパイオニアで最終的にノーベル賞を受賞したフィリップ アンダーソンは、物質が量子スピン液体と呼ばれる奇妙な状態になる可能性があると予測しました。多くの原子には、方向を定義する「スピン」と呼ばれる量子特性があります。スピンは磁気的に相互作用するため、特に低温では反対方向を向く傾向があります。しかし、3 つの原子が三角形に配置されている場合、3 つのうちの 2 つだけが反対方向を指すことができます。したがって、原子の三角形状の格子は、スピンの整然としたパターンに「凍結」することはできません。絶対零度でも、スピンは変動し続けます。これは、原子が液体中でスロッシングするのと同じです。
量子スピン液体は多くのもつれを経験します。個々の粒子がシステムの全体的なトポロジー、つまりジオメトリを感知できるため、この機能は「トポロジー」秩序につながります。角氷に穴を開けると凍ったままですが、量子スピン液体の中心にある原子を取り除くと、システムの特性が変化する可能性があります.これにより、量子スピン液体は新しいクラスの物質になります。
さまざまなグループが、原子にとって特に苛立たしい結晶構造を持つ鉱物ハーバートスミサイトなど、量子スピン液体の間接的なヒントを見てきました。しかし、量子スピン液体としての物質の状態を直接確認することはほぼ不可能です。なぜなら、物質のもつれの定義と関連するトポロジー秩序を 1 点で測定することができないからです。
ケンブリッジのグループは、量子シミュレーターを使用して鳥瞰図を取得しました。彼らは最初に、中性原子をハーバートスミサイトの原子のように振る舞うようにプログラムし、オンオフのリュードベリ状態がスピンの代わりになるようにしました。次に、原子のループとストリング全体でリュードベリ状態を測定し、エンタングルメントを含む非局所的な観察結果を得ました。この結果は、量子スピン液体のトポロジカル秩序を初めて直接測定したものです。
「驚くべきことは、非常に説得力があるように見えることです」と、関与していないアルトマン氏は述べています。
トポロジカルに秩序化された物質相の最初の明確な発見 — 分数量子ホール効果 — は、1998 年にノーベル賞を受賞しました。
「この量子スピン液体の探査 — 私の見解では、これは非常に特別な瞬間です」とルーキンは言いました。
スケールアップ
量子シミュレーターは多くの実用的な問題に役立つ可能性があり、どちらの中立原子グループもスピンオフ ビジネスを立ち上げました。パリのチームの Pasqal とケンブリッジの QuEra Computing は、今月初めに日本人を含む投資家から 1,700 万ドルを調達したと発表しました。通信と電子商取引の巨人、楽天。
長期的には、両社はシミュレーターを、あらゆる量子計算を処理できる汎用量子コンピューターに変えたいと考えています。それには、個々の原子を完全に制御して、それらを本格的な量子ビットとして使用する必要があります。この点では、最近 127 キュービットのユニバーサル量子プロセッサを発表した Google や IBM の超伝導量子コンピューターほど成熟していませんが、中性原子はまだ追いつく可能性があります。 「ときどき懐疑的になることがあります」とグレイナーは言います。 「それと同時に私たちの研究室を調べてみると、ほんの一握りの原子でさえ、スーパーコンピューターでは計算できないことができることがわかりました。」
