アトム コンピューティングは量子研究の新時代の到来をもたらします | アガラプ・ラメシュ著 | 2024年5月

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アトムコンピューティング

最近、極低温原子のアレイから構築された量子コンピューターが、従来のコンピューターを性能で上回る量子ビットを搭載したマシンの製造競争の主要な候補となっています。 クラウド経由でプログラムされる最初の完全に機能する量子プロセッサは代替ハードウェア アーキテクチャによって製造されましたが、さらなる進歩により、将来の拡張性の点ではアトムベースのプラットフォームが優れている可能性があることが示されています。

このスケーリングの利点は、原子量子ビットがフォトニック技術によって独占的に冷却、トラップ、操作されることによって得られます。 中性原子量子コンピューターは主に、精度と信頼性がすでに最適化されている現在入手可能な光学コンポーネントとシステムを使用して構築でき、複雑な極低温システムやチップ製造プロセスの必要性を回避できます。

米国プリンストン大学の物理学者ジェフ・トンプソンと彼のチームは、イッテルビウム原子の配列に基づく量子コンピューターを開発している。 「トラップは光ピンセットで、原子はレーザー光線で制御され、画像化はカメラで行われます」とトンプソン氏は説明します。 「光学システムで実行できるエンジニアリングは、プラットフォームの拡張性を制限する唯一のものであり、その作業の多くは光学コンポーネントとメガピクセルデバイスの業界ですでに行われています。」

巨大な原子配列

中性原子の多くの魅力的な特性により、中性原子は量子情報の符号化に適しています。 まず、それらはすべて同じです。つまり、それらはすべて完璧で、作成中に導入される可能性のある欠陥がないため、個々の量子ビットを調整したり校正したりする必要はありません。 重ね合わせやもつれなどの重要な量子特徴は、計算を可能にするのに十分な長期間にわたって保存され、それらの量子状態と相互作用も同様によく理解され、特徴付けられています。

耐障害性の追求
この重要な開発により、原子量子ビットがデジタル量子コンピューティングの競争力のあるプラットフォームとなり、研究チームや量子企業がさまざまな原子システムの効率を調査し、改善するよう促されました。 ルビジウムは依然として人気のある選択肢ですが、特定のグループはイッテルビウムが大規模量子コンピューティングにいくつかの重要な利点をもたらすと考えています。 トンプソン博士は、イッテルビウムの核スピンは半分であるため、量子ビットは完全に核スピン内で符号化できると主張しています。」彼らは、純粋な核スピン量子ビットは、すべての原子または原子がスピンしているにもかかわらず、特別な手順なしで何秒ものコヒーレンス時間を維持できることを発見しました。イオンベースの量子ビットはデフォルトで良好なコヒーレンスを持っています。」

有理量子ビットの検査

一方、ルーキン氏のハーバード大学グループは、多くの学術パートナーやボストンに本拠を置く新興企業QuEra Computingと協力し、おそらくこれまでで最もエラー訂正量子コンピューティングに近いアプローチをとっている。 量子情報を複数の物理量子ビットに分散してエラーの影響を軽減する、いわゆる論理量子ビットの利用は、重要な進歩です。

これまでの実証では、さまざまなハードウェア プラットフォームを使用して 1 つまたは 2 つの論理量子ビットが生成されてきましたが、ルーキン氏らは 2023 年末までに、280 個の原子量子ビットから 48 個の論理量子ビットを生成できることを実証しました。 彼らは、光多重化を使用して論理量子ビット内のすべてのルビジウム原子を同一の光ビームで照射することにより、各論理ブロックを単一のユニットとして移動および操作することができました。 このハードウェア効率の高い制御技術は、論理ブロック内のすべての原子が個別に処理されるため、物理量子ビットの間違いが論理欠陥に発展するのを防ぎます。

研究者らはさらに、これらの論理量子ビットのよりスケーラブルな処理を可能にするために、設計を 3 つの機能ゾーンに分割しました。 1 つ目は、呼び出される可能性のある物理量子ビットのリザーバーと組み合わせて、論理量子ビットを操作および保存することで、これらの安定した量子状態をハードウェアの他のセクションでの処理ミスから確実に分離するために利用されます。 次に、論理量子ビットのペアを第 2 量子ビットのもつれゾーンに「シャトル」することができ、そこで 2 量子ビットのゲート操作が 1 つの励起レーザーによって 99.5% を超える忠実度で駆動されます。 各ゲート操作の結果は最終読み出しゾーンで測定され、進行中の処理業務に干渉しません。

将来の拡張性
もう 1 つの注目すべき進展は、QuEra がこの論理プロセッサのバージョンを構築するために英国の国立量子コンピューティング センター (NQCC) と数百万ドルの契約を獲得したことです。 2025 年 3 月までに、この国立研究所には、超伝導量子ビットとトラップされたイオンを利用するプラットフォームや、Infleqtion (以前の ColdQuanta) のセシウムをベースにした中性原子システムを含む 7 台の量子コンピューターのプロトタイプが設置される予定です。 QuEra システムもその 1 つになります。

原子の供給を補充する
より大規模なマシンへの道を築くために、Atom Computing チームは、改訂されたプラットフォームに追加の光学技術を組み込みました。 ブルーム氏は、「100 量子ビットから 1,000 量子ビットに増やしたければ、非常に大きなレーザーを購入するだけで済みました。」と述べています。 「しかし、彼らは、レーザー出力の問題に遭遇することなく、アレイを数十万、さらには100万の原子まで拡張し続けることができる軌道に乗せたいと考えていました。」

光ピンセットによって提供される原子制御と、主に世界で最も正確な原子時計に搭載されている光格子のトラップ機能を組み合わせることが、アトム コンピューティングの解決策でした。 光ビルドアップキャビティを追加して、複数の反射レーザー間に建設的な干渉を作成することにより、これらの光格子は、レーザービーム干渉によってポテンシャル井戸のサブ波長グリッドを作成することにより、その性能を向上させることができます。」 「これらの真空内光学系を備えた深いトラップは、さらに高く上昇する可能性がありますが、1,225 個のイッテルビウムをトラップする配置を示すことにしました。」と付け加えました。