昨年末、ハイテク大手IBMは、量子コンピューティングのマイルストーンのように聞こえるかもしれないもの、つまり1,000を超える量子ビット（量子ビット）を備えたCondorと呼ばれる史上初のチップを発表した。同社が 100 量子ビットを超える最初のチップである Eagle を発表してからわずか XNUMX 年だったことを考えると、この分野は急速に前進しているように見えました。今日の最も強力な古典的なスーパーコンピューターの範囲を超えて有用な問題を解決できる量子コンピューターを作成するには、おそらく数万または数十万量子ビットまで、量子コンピューターをさらにスケールアップする必要があります。しかし、それは単なるエンジニアリングの問題ですよね?

必ずしも。スケールアップの課題は非常に大きいため、IBM や Google などが使用するマイクロエレクトロニクスとはまったく異なるハードウェアが必要になると考える研究者もいます。 Condor と Google の Sycamore チップの量子ビットは、超伝導材料のループから作られています。これらの超伝導量子ビットは、これまでのところ、本格的な量子コンピューティングへの競争において野うさぎでした。しかし今、後ろから亀がやって来ます。それは個々の原子から作られた量子ビットです。

最近の進歩により、これらの「中性原子量子ビット」は外部からの有力な候補に変わりました。

ウィスコンシン大学マディソン校の物理学者マーク・サフマン氏は、「過去2～3年は、これまでのどの時期よりも急速な進歩を遂げている」と述べ、少なくとも5社が中性原子量子コンピューティングの商用化を競っていると数えた。

通常のコンピューターのビットと同様に、量子ビットはバイナリ情報 (1 と 0) をエンコードします。しかし、ビットは常にどちらかの状態にありますが、量子ビット内の情報は、両方の可能性を重視するいわゆる「重ね合わせ」で不定のままになることがあります。計算を実行するには、量子もつれと呼ばれる現象を使用して量子ビットをリンクします。これにより、量子ビットの可能な状態が相互依存します。特定の量子アルゴリズムでは、異なる量子ビットのセット間の一連のエンタングルメントが要求される場合があり、その答えは、計算の最後に測定が行われるときに読み出され、各重ね合わせが明確な 1 または 0 に分解されます。

このように情報をエンコードするために中性原子の量子状態を使用するというアイデアは、 提案された 2000年代初頭にハーバード大学の物理学者によって ミハイル・ルキン そして同僚、そして また が率いるグループによって イワン・ドイチュ ニューメキシコ大学の博士。ルーキン氏によると、中性原子量子コンピューティングは原理的には素晴らしいアイデアであるが、実際には「うまくいかない」ということには長い間、より広範な研究コミュニティが同意していたという。

「しかし、20年経った今でも、他のアプローチでは取引は成立していない」とサフマン氏は語った。 「そして、中性原子を機能させるために必要なスキルセットと技術は、非常に有望に見えるところまで徐々に進化しています。」

ハーバード大学のルーキン氏の研究室は、その先頭に立っている研究者の 1 つです。 12月に彼と彼の同僚たちは、 報告 彼らは数百の中性原子量子ビットを備えたプログラム可能な量子回路を作成し、それを使って量子計算と誤り訂正を実行したとのことです。そして今月、カリフォルニア工科大学のチームが 報告 彼らは 6,100 個の原子量子ビットの配列を作成したとのことです。このような結果により、このアプローチへの改宗者が増えています。

「10年前、量子コンピューティングの将来に賭けていたら、これらの[中性原子]手法は含めなかったでしょう」と氏は語った。 アンドリュー・スティーン、オックスフォード大学の量子情報理論家。 「それは間違いだったでしょう。」

量子ビットの戦い

量子ビットの種類間の競争における重要な問題は、ランダムな (たとえば、熱の) 変動によって変化する前に、各種類の量子ビットが重ね合わせをどれくらい維持できるかということです。 IBM や Google のような超伝導量子ビットの場合、この「コヒーレンス時間」は通常、せいぜい 1 ミリ秒程度です。量子計算のすべてのステップは、その時間枠内で実行される必要があります。

個々の原子の状態で情報をエンコードする利点の 1 つは、通常、原子のコヒーレンス時間がはるかに長くなるということです。さらに、超伝導回路とは異なり、特定の種類の原子はすべて同一であるため、微妙に異なる量子状態を入力して操作するために特注の制御システムは必要ありません。

そして、超伝導量子ビットを量子回路に接続するために使用される配線は、システムがスケールアップするにつれて非常に複雑になる可能性がありますが、原子の場合には配線は必要ありません。絡み合わせはすべてレーザー光を使用して行われます。

この利点には当初、課題がありました。複雑なマイクロエレクトロニクス回路とワイヤを切り出すための十分に開発された技術があり、IBMとGoogleが最初に超伝導量子ビットに投資したおそらく考えられる理由の1つは、これらが明らかに最良だったからではなく、そのような企業が慣れ親しんでいる種類の回路が必要だったからである、と同氏は述べた。 スチュアート・アダムス、英国のダラム大学の物理学者で、中性原子量子コンピューティングに取り組んでいます。 「レーザーベースの原子光学は彼らにとってまったく馴染みのないものでした。すべてのエンジニアリングが完全に異なります。」

イオンとして知られる、荷電した原子で構成される量子ビットも光で制御でき、イオンは中性原子よりも優れた量子ビット候補と長い間考えられてきました。イオンはその電荷により、電場に比較的容易にトラップされます。研究者らは、極低温の小さな真空空洞内にイオンを浮遊させ（熱の揺れを避けるため）、レーザー光線でイオンをさまざまなエネルギー状態間で切り替えて情報を操作することで、イオントラップを作成した。現在、数十量子ビットを備えたイオントラップ量子コンピュータが実証されており、いくつかの新興企業が商業化に向けた技術を開発している。 「これまでのところ、忠実度、制御、コヒーレンスの点で最高のパフォーマンスを発揮するシステムは、トラップされたイオンです」とサフマン氏は述べた。

保持する電荷がないため、中性原子を捕捉するのはより困難です。代わりに、原子は光ピンセットと呼ばれるレーザービームによって生成される強い光のフィールド内で固定されます。原子は通常、光場が最も強い場所に位置することを好みます。

イオンには問題があります。イオンはすべて同じ符号の電荷を持っています。これは、量子ビットが互いに反発することを意味します。同じ小さな空間にたくさんのイオンを詰め込むのは、イオンの数が増えるほど難しくなります。中性原子の場合、そのような緊張感はありません。これにより、中性原子量子ビットの拡張性が大幅に向上すると研究者らは述べています。

さらに、トラップされたイオンは一列に（最近ではループ状に）配置されています。競馬場”）。この構成により、あるイオン量子ビットを別のイオン量子ビット、つまり列に沿って 20 個の場所でもつれさせることが困難になります。 「イオントラップは本質的に一次元です」とアダムズ氏は言う。 「それらを一列に配置する必要がありますが、その方法で最大 XNUMX 量子ビットを取得する方法を理解するのは非常に困難です。」

中性原子配列は 1,000 次元グリッドにすることができ、スケールアップがはるかに簡単です。 「同じシステムに多くのものを入れることができ、望まないときには相互作用しません」とサフマン氏は言う。彼のグループと他のグループは、この方法でXNUMX個以上の中性原子を捕捉した。 「私たちは、センチメートル規模のデバイスに数万、さらには数十万を詰め込むことができると信じています」と彼は言いました。

実際、カリフォルニア工科大学のチームは最近の研究で、約 6,100 個の中性セシウム原子からなる光ピンセット アレイを作成しましたが、それらを使った量子計算はまだ行っていません。これらの量子ビットのコヒーレンス時間はなんと 12.6 秒で、このタイプの量子ビットとしてはこれまでの記録です。

リュードベリ封鎖

2 つ以上の量子ビットがもつれるには、相互作用する必要があります。中性原子は、いわゆるファンデルワールス力を介して互いの存在を「感じ」ます。ファンデルワールス力は、ある原子が近くにある別の原子の電子雲の変動に反応する方法から発生します。しかし、これらの弱い力は、原子が非常に接近している場合にのみ感じられます。ライトフィールドを使用して通常の原子を必要な精度まで操作することは不可能です。

Lukin と彼の同僚が 2000 年の最初の提案で指摘したように、原子自体のサイズを大きくすれば、相互作用距離は劇的に増加する可能性があります。電子が持つエネルギーが大きければ大きいほど、原子核から遠ざかる傾向があります。レーザーを使用して電子を、原子に通常見られるエネルギー状態よりもはるかに高いエネルギー状態（1880年代に原子が個別の波長で発光する方法を研究したスウェーデンの物理学者ヨハネス・リュードベリにちなんでリュードベリ状態と呼ばれる）に励起する場合、電子は通常の何千倍も核から遠く離れたところを歩き回ることができます。

このサイズの増大により、数マイクロメートル離れて保持された 2 つの原子が相互作用できるようになります (光トラップでは完全に実現可能です)。

量子アルゴリズムを実装するために、研究者らはまず、レーザーを使用して原子エネルギー準位間で電子を切り替えることにより、量子情報を一対の原子エネルギー準位にエンコードします。次に、原子間のリュードベリ相互作用をオンにすることで、原子の状態を絡めます。特定の原子は、その電子が 2 つのエネルギー レベルのどちらにあるかに応じて、リュードベリ状態に励起されるかどうかが決まります。そのうち 1 つだけが励起レーザーの周波数と共鳴するのに適切なエネルギーにあります。そして、原子が現在別の原子と相互作用している場合、この励起周波数はわずかにシフトするため、電子は光と共鳴せず、ジャンプできなくなります。これは、相互作用する原子のペアのうちどちらか一方のみがどの時点でもリュードベリ状態を維持できることを意味します。それらの量子状態は相関しています、言い換えれば、もつれています。このいわゆるリュードベリ封鎖は、まず、 提案された 2001 年に Lukin らによってリュードベリ原子量子ビットをもつれさせる方法として提案されたこの方法は、オール・オア・ナッシングの効果です。つまり、リュードベリの封鎖が存在するか、存在しないかのどちらかです。 「リュードベリ封鎖により、原子間の相互作用がデジタル化されました」とルーキン氏は語った。

計算の最後に、レーザーは原子の状態を読み取ります。原子が照明と共鳴している状態にある場合、光は散乱されますが、それ以外の状態にある場合、散乱はありません。

2004 年、コネチカット大学のチーム 実証 ルビジウム原子間のリュードベリ封鎖。トラップされ、絶対零度よりわずか 100 マイクロケルビンまで冷却されます。彼らは、レーザーを使用して原子の熱エネルギーを「吸い出す」ことによって原子を冷却しました。このアプローチは、超伝導量子ビットとは異なり、中性原子は極低温冷却や面倒な冷媒を必要としないことを意味します。したがって、これらのシステムは非常にコンパクトに作ることができます。 「装置全体は室温です」とサフマン氏は言う。 「これらの超低温原子から XNUMX センチメートル離れたところに、室温の窓があります。」

2010年、サフマンとその同僚 報告 最初の論理ゲートは、2016 つ以上のバイナリ入力信号が特定のバイナリ出力を生成するコンピュータの基本要素で、リュードベリ ブロッケードを使用して XNUMX つの原子から作られます。そして、決定的に重要なのは、XNUMX 年に、フランスと韓国のルーキンのチームと研究グループがすべて 単独で 考え出した 方法 多くの中性原子をロードする 光トラップのアレイに配置し、自由に移動させます。 「このイノベーションはこの分野に新たな命を吹き込みました」と彼は言いました。 ステファン・デュール ドイツのガルヒングにあるマックス・プランク量子光学研究所の博士は、光ベースの量子情報処理の実験にリュードベリ原子を使用しています。

これまでの研究の多くはルビジウム原子とセシウム原子を使用していますが、物理学者は ジェフトンプソン プリンストン大学の博士らは、コヒーレンス時間がさらに長いストロンチウムやイッテルビウムなどの金属原子の核スピン状態の情報をエンコードすることを好んでいます。昨年10月、トンプソンとその同僚たちは、 報告 これらのシステムから作られた 2 量子ビット論理ゲート。

また、リュードベリの封鎖は孤立原子間である必要はありません。去年の夏、アダムスとその同僚たちは、 示されました 彼らは、光ピンセットを使ってセシウム原子をルビジウム原子の隣に引っ張り、原子と捕捉された分子の間にリュードベリ封鎖を作り出すことができると考えた。ハイブリッド原子分子システムの利点は、原子と分子が非常に異なるエネルギーを持っているため、他に影響を与えることなく一方を操作することが容易になることです。さらに、分子量子ビットのコヒーレンス時間は非常に長い場合があります。アダムズ氏は、このようなハイブリッドシステムは全原子システムより少なくとも10年遅れており、そのようなXNUMXつの量子ビットのもつれはまだ達成されていないと強調する。トンプソン氏は「ハイブリッドシステムは本当に難しい」と述べ、「しかし、おそらくいつかはハイブリッドシステムの導入を余儀なくされるだろう」と語った。

高忠実度量子ビット

完璧な量子ビットは存在しません。すべての量子ビットでエラーが発生する可能性があります。これらが検出されず修正されない場合、計算結果がスクランブル化されます。

しかし、すべての量子コンピューティングにとっての大きな障害は、古典的なコンピューターのような方法ではエラーを特定して修正できないことです。古典的なコンピューターでは、アルゴリズムが単にコピーを作成することでビットがどのような状態にあるかを追跡するだけです。量子コンピューティングの鍵は、最終結果が読み出されるまで量子ビットの状態が決定されないことです。その時点より前にこれらの状態を測定しようとすると、計算が終了します。では、私たちが監視することさえできないエラーから量子ビットをどのように保護できるのでしょうか?

1 つの答えは、単一の「論理量子ビット」を構成する多くの物理量子ビットに情報を分散させ、そのうちの 1 つのエラーによって集合的にエンコードされた情報が破損しないようにすることです。これは、各論理量子ビットに必要な物理量子ビットの数がそれほど多くない場合にのみ実用的になります。このオーバーヘッドは、どのようなエラー訂正アルゴリズムが使用されるかによって部分的に決まります。

誤り訂正された論理量子ビットは、超伝導量子ビットやトラップイオン量子ビットを用いて実証されてきたが、中性原子からそれらを作ることができるかどうかは最近まで明らかではなかった。状況は48月に変わり、ハーバード大学のチームが数百個のトラップされたルビジウム原子の配列を発表し、それぞれ1～0個の物理原子から作られたXNUMX個の論理量子ビットでアルゴリズムを実行した。研究者らは、このシステムを使用して、制御された NOT ゲートと呼ばれる単純な論理演算を実行しました。この演算では、量子ビットの XNUMX と XNUMX の状態が、XNUMX 番目の「制御」量子ビットの状態に応じて反転または変更されません。計算を実行するために、研究者らはトラッピングチャンバー内のXNUMXつの異なる領域間で原子を移動させた。すなわち、原子の配列、リュードベリ遮断を使用して特定の原子が引きずられて絡み合う相互作用領域（または「ゲートゾーン」）、および読み出しゾーンである。 。アダムス氏は、「リュードベリ・システムは、量子ビットをシャッフルし、誰が誰と相互作用するかを決定する機能をすべて提供し、超伝導量子ビットにはない柔軟性を提供するため、すべてが可能になった」と述べた。

ハーバード大学のチームは、いくつかの単純な論理量子ビット アルゴリズムに対する誤り訂正技術を実証しましたが、48 個の論理量子ビットを備えた最大のものでは、単に誤り検出を達成しただけでした。トンプソン氏によると、後者の実験は「誤差のある測定結果を優先的に拒否できるため、誤差の少ない結果のサブセットを特定できる」ことを示しました。このアプローチは事後選択と呼ばれ、量子エラー訂正に役割を果たすことはできますが、それ自体では問題は解決されません。

リュードベリ原子は、新しい誤り訂正コードに役立つ可能性があります。ハーバード大学の研究で使用されている表面コードと呼ばれるものは、「非常に人気がありますが、非常に非効率でもあります」とサフマン氏は述べた。 1 つの論理量子ビットを作成するには多くの物理量子ビットが必要になる傾向があります。他に提案されているより効率的な誤り訂正コードでは、最近傍ペアリングだけでなく、量子ビット間の長距離相互作用が必要です。中性原子量子コンピューティングの専門家は、長距離のリュードベリ相互作用がその課題に対応できるはずだと考えています。 「私は、今後 2 ～ 3 年の実験で、オーバーヘッドが人々が考えているほど悪くないことが示されるだろうと、私は非常に楽観的です」とルーキン氏は語った。

やるべきことはまだたくさんありますが、ステイン氏はハーバード大学の研究は「実験室での誤り訂正プロトコルの実現度合いが大きく変わった」と考えています。

スピンオフ

このような進歩により、リュードベリ原子量子ビットは競合他社と比べても群を抜いている。 「高忠実度のゲート、多数の量子ビット、高精度の測定、柔軟な接続性の組み合わせにより、リュードベリ原子アレイは超伝導量子ビットやトラップイオン量子ビットに対する真の競合相手であると考えることができます」とステイン氏は述べています。

超伝導量子ビットと比較して、この技術は数分の１の投資コストで実現できます。ハーバードグループには、と呼ばれるスピンオフ会社があります。 クエラ、と呼ばれる256量子ビットのリュードベリ量子プロセッサをすでに作成しています イーグル — アナログ「量子シミュレータ」。これは、以下のシミュレーションを実行できます。 多くの量子粒子の系 — Amazon の Braket 量子コンピューティング プラットフォームと提携してクラウド上で利用可能です。 QuEra は、量子誤り訂正の進歩にも取り組んでいます。

サフマンはという会社に入社した 変曲点、量子センサーと通信、および量子コンピューティングのための中性原子光学プラットフォームを開発しています。 「大手IT企業の1社が近いうちにこれらのスピンオフ企業の1社と何らかの提携関係を結ぶとしても、私は驚かないでしょう」とアダムス氏は語った。

「中性原子量子ビットを使ってスケーラブルな誤り訂正を行うことは間違いなく可能です」とトンプソン氏は言う。 「数年以内に10,000の中性原子量子ビットが明らかに可能だと思います。」さらに、レーザー出力と解像度には実際的な制限が必要になると彼は考えています。 モジュラー設計 いくつかの異なる原子配列が互いにリンクされています。

もしそうなった場合、何が起こるか誰にも分かりません。 「量子コンピューティングで何ができるかはまだわかりません」とルーキン氏は言う。 「これらの新たな進歩がこれらの疑問の解決に役立つことを心から願っています。」