ハーバード大学の大学院生で物理学を専攻している Harry Levine は、地下の小さな実験室で、初歩的なコンピューターをほんの一瞬で組み立てることができます。プロセッサ チップは見えません。彼のコンピューターは、マッチ箱ほどの大きさのガラスのセルに入っている 51 個のルビジウム原子で動いています。彼のコンピューターを作成するために、彼は 51 のビームに分割されたレーザーを使用して、原子を 1 つのファイルに並べます。より多くのレーザー (原子あたり 6 つのビーム) は、原子がほとんど動かなくなるまで速度を落とします。次に、さらに別のレーザー セットを使用して、原子が相互に作用するように誘導し、原則として計算を実行します。
これは、いわゆる重ね合わせ状態でゼロと 1 を同時にエンコードできる「キュービット」を操作する量子コンピューターです。スケールアップすると、特定のタスクで従来のコンピューターを大幅に上回る可能性があります。しかし、量子コンピューティングの世界では、Levine のデバイスは少し変わっています。実用的な量子デバイスを構築するための競争では、超伝導ワイヤの小さな回路や量子ドットとして知られる小さな半導体構造など、シリコン上に構築できる量子ビットに主に投資されています。現在、最近の 2 つの研究で、Levine が扱うキュービットである中性原子の可能性が示されました。ある研究では、Levine を含むグループは、2 つの中性原子で構成される量子論理ゲートが、これまでよりもはるかに少ないエラーで機能することを示しました。また別の例では、研究者は注意深く配置された原子の 3D 構造を構築し、3 次元を利用することでより多くのキュービットを小さなスペースに詰め込むことができることを示しました。
コロラド州ボルダーに拠点を置き、原子ベースの量子コンピューターを開発している ColdQuanta の CEO である Dana Anderson 氏は、ベンチャー キャピタルからの資金提供とともに、この進歩は中性原子が上昇傾向にあることを示唆していると述べています。 「私たちは宿題を終えました」とアンダーソンは言います。 「これはまさに今、エンジニアリングの領域にあります。」
中性原子は電荷を欠いており、他の原子としぶしぶ相互作用するため、質の悪い量子ビットを作るように見えます。しかし、特別なタイミングのレーザーパルスを使用することで、物理学者は原子の最も外側の電子を励起して原子核から遠ざけ、原子を通常の数十億倍の大きさに膨らませることができます。このいわゆるリュードベリ状態になると、原子はイオンのように振る舞い、隣接する原子と電磁気的に相互作用し、それらがリュードベリ原子になるのを防ぎます。
物理学者は、その振る舞いを利用してエンタングルメント (計算を実行するために必要な相互依存の量子状態) を作り出すことができます。隣接する 2 つの原子が重ね合わせに励起され、両方が部分的にリュードベリ状態にあり、部分的に基底状態にある場合、測定によって原子がいずれかの状態に崩壊します。しかし、リュードベリ状態になることができるのは原子の 1 つだけであるため、原子は絡み合い、一方の状態は他方の状態に依存します。
絡み合うと、中性原子はいくつかの固有の利点を提供します。原子は品質管理を必要としません。定義上、原子は同一です。それらはシリコンベースの量子ビットよりもはるかに小さいため、理論的には、より多くの量子ビットを小さなスペースに詰め込むことができます。システムは室温で動作しますが、超伝導量子ビットはかさばる冷凍庫内に配置する必要があります。また、中性原子は容易に相互作用しないため、外部ノイズの影響を受けにくく、比較的長い間量子情報を保持できます。 「中性原子には大きな可能性があります」とウィスコンシン大学マディソン校の物理学者 Mark Saffman は言います。 「物理学の観点からすると、拡張が容易になり、最終的にはパフォーマンスが向上します。」
絡み合う原子
2 つの新しい研究は、これらの主張を裏付けています。ハーバード大学の物理学者 Mikhail Lukin が率いる Levine と彼の同僚は、より高品質のレーザーを設計することにより、2 ルビジウム原子論理ゲートを 97% の確率で正確にプログラムすることができたと、9 月 20 日に に掲載された論文で報告しています。フィジカル レビュー レター これにより、この方法は、すでに 99% を超える忠実度を達成している超伝導キュービットのパフォーマンスに近づきます。 Nature に掲載された 2 番目の研究では、 9 月 5 日、パリ近郊の Charles Fabry Laboratory の Antoine Browaeys らは、72 個の原子の 3D 配列に対する前例のないレベルの制御を実証しました。彼らの制御を誇示するために、彼らは原子をエッフェル塔の形に並べさえしました。もう 1 つの一般的な量子ビット タイプであるイオンは、比較的小さいです。しかし、イオン量子コンピューターを研究しているカナダのウォータールー大学の物理学者、Crystal Senko は、お互いに反発し合うため、これほど密に積み重ねることはできないと認めています。
誰もが納得しているわけではありません。他のキュービットと比較して、中性原子はその場にとどまらない傾向があると、カナダのトロントにある量子コンピューティング会社である Xanadu の物理学者である Varun Vaidya は言う。 「最大の問題は、原子にしがみつくことです」と彼は言います。原子がずれても、Lukin の自動化されたレーザー システムは 1 秒以内に原子を再構成できますが、Vaidya 氏は、これでもデバイスが長時間のタスクを実行できない可能性があると述べています。 「現時点では、何が最高の量子ビットになるかは誰にもわかりません」と Senko 氏は言います。 「要するに、彼らはみな問題を抱えているということです。」
それでも、ColdQuanta は最近、ベンチャー資金で 675 万ドルを受け取りました。カリフォルニア州バークレーに拠点を置く別のスタートアップ、Atom Computing は、500 万ドルを調達しました。 CEO の Ben Bloom は、ルビジウムの 1 つではなく 2 つの価電子を持つ原子 (カルシウムやストロンチウムなど) で構成される量子ビットを追求すると述べています。ブルームは、これらの原子が長寿命の量子ビットを可能にすると信じています。 Lukin は、彼のグループの技術を商品化することにも関心があると言っています.
スタートアップと Saffman のグループは、完全にプログラム可能な量子コンピューターの構築を目指しています。ルーキンは今のところ、彼のグループが量子シミュレーターの構築に集中することを望んでいます。量子シミュレーターは、量子ビットを特定の方法で準備し、自然に進化させることによって特定の最適化問題を解決することに特化した、より限定された種類のコンピューターです。 Levine 氏は、彼のグループのデバイスは、たとえば、電気通信技術者が、コストを最小限に抑え、カバレッジを最大化するために電波塔をどこに配置するかを決定するのに役立つ可能性があると述べています。 「私たちは、これらのデバイスで何か役に立つことをしようとしています」と Levine 氏は言います。 「人々はまだ、量子システムで何ができるかを知りません。」
彼と彼の同僚は、今後 1 年か 2 年以内に、中性原子デバイスが答えを提供できると考えています。
