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2025-01-17 20:47:00
UNSW シドニーの量子エンジニアは、「シュレーディンガーの猫‘—システムが同時に存在する量子重ね合わせの有名なパラドックス 量子重ね合わせこの場合、死んでいると同時に生きている、つまり単一の核の内部です。 アンチモン シリコンチップ上の原子。
「アンチモンは重い原子であり、大きな核スピンを持っています。つまり、 磁気双極子」と研究者のXi Yu氏は述べた。 プレスリリース。 「アンチモンの回転は 2 方向だけではなく、8 つの異なる方向に進むことができます。」 Yu 氏は続けて、この事実は「大したことではないように見える」かもしれないが、「システムの動作を完全に変える」と付け加えました。彼は次のように説明します。「反対方向を向いたアンチモンスピンの重ね合わせは、単なる『上』と『下』の重ね合わせではありません。重ね合わせの 2 つの分岐を分離する複数の量子状態があるからです。」
量子誤り訂正が重要であるにもかかわらず、まだ解決されていない理由
量子コラボレーションの内部
シリコン量子チップの開発は重要な国際的な取り組みを表しており、UNSWのダニエル・ホームズ博士が製造を主導し、メルボルン大学の同僚がアンチモン原子の挿入を担当した。
プロジェクトリーダーのアンドレア・モレロ教授は、「この研究は、相互補完的な専門知識を持つ世界有数のチーム間の国境を越えた協力の素晴らしい例だ」と述べた。 プレスリリース。
主な貢献者は次のとおりです。
• UNSW シドニー: デバイスの製造と運用
• メルボルン大学: 原子統合
• サンディア国立研究所と NASA エイムズ (米国): 理論的枠組み
• カルガリー大学 (カナダ): 量子状態評価
チームの次のマイルストーンは、モレロ氏が「量子コンピューティングにおける『聖杯』」と呼ぶもの、つまり量子エラーの検出と訂正の実証を目標としている。
この余分な複雑さにより、量子コンピューティング開発における最大の障害の 1 つであるエラーに対する防御機能が組み込まれています。現在の量子コンピューターは、ノイズの多い中間スケール量子 (NISQ) デバイスのカテゴリーに分類されます。これは、比較的高いエラー率と少数の量子ビットによって制限されているため、エラー耐性のある量子数値 (量子ビット) の開発がクリアリングに特に価値があることを意味します。今後の進歩への道。
彼らの研究では、科学者らは、スピンの向きを 1 つまたは 2 つ反転しただけでは、論理 0 (死んだ猫) が 1 (生きている猫) にすぐには変化しないことを示しています。その代わりに、チームは「猫」状態が崩壊するまでに 7 回連続でスピンフリップエラーが発生することを発見しました。 「ことわざにあるように、猫には九つの命がある。小さな傷一つで死ぬには十分ではありません。私たちの比喩的な「猫」には 7 つの命があり、「0」を「1」に変えるには 7 回連続でエラーが必要になります」と論文の筆頭著者である Yu 氏は述べています。
このマルチレベルの「猫」をシリコンに直接統合することで、チームは確立された半導体技術を活用しながら、より回復力のある量子操作を可能にします。彼らは、このアプローチにより、エンジニアが小さなエラーをリアルタイムで発見して修正できるようになり、致命的なミスに連鎖するのを防ぐことができると提案しています。作品が掲載されているのは、 自然物理学。
単一のアトム内で直接複数の誤り訂正コードを実現する方向へ
著者らは、Sb原子核（スピン7/2）の多重レベルの性質により、多重誤り訂正符号を単一原子内に直接自然に実装できることを示した。標準のスピン 1/2 量子ビット (スピン フリップ エラーが 1 つだけ発生すると論理状態が失われます) とは異なり、いわゆる「スピン キャット」エンコーディングでは、キャット状態が崩壊する前に最大 7 回の連続したスピン フリップが必要です。このハードウェア効率の高いアプローチは、同位体的に純粋なシリコンの長い核コヒーレンス時間を利用して、位相反転誤差に対する耐性を大幅に強化します。その結果、小さなエラーは致命的な論理エラーに蓄積されるのではなく、リアルタイムで修正可能なままとなり、スケーラブルな半導体製造方法に依存するフォールトトレラントな量子プロセッサへの道が開かれます。
量子研究チーム（左から）ベンジャミン・ウィルヘルム、シー・ユー、アンドレア・モレロ、ダニエル・ホームズが、仲間のネコ科動物とともに重ね合わせ状態の研究をデモンストレーションする。これは、彼らの画期的な進歩の中心となった量子のパラドックスへの遊び心のあるうなずきである。 [Image: Lee Henderson]
今後を見据えて、チームは、ドナー配置とシリコン処理の確立された技術を使用して、スケーラブルな論理演算のために複数の高スピン原子核を結合することを構想しています。著者らは論文の中で次のように説明している。「2つ以上の123Sb原子核が共通の電子に超微細結合すれば、短期的にはマルチ量子ビット論理ゲートが実現できる。これにより、2 つの原子核の特定の状態を条件として、電子に 2π 回転を与えることにより、幾何学的な CZ ゲートの実装が可能になります。」複数のドナーを近接して統合することにより、スピンを集合的に操作し、共有電子補助装置で読み出すことができ、シリコンにおけるフォールトトレラントな量子コンピューティングへの道を提供します。ドナー間の間隔の最適化、残留ひずみの最小化、堅牢な電子結合の設計などのさらなる改良により、これらの堅牢な「cat」エンコーディングを利用する長寿命の大規模量子プロセッサが可能になる可能性があります。
アンチモンの躍進は、閾値以下の量子誤り訂正を初めて大規模に達成したことを実証した、Google の Willow 量子プロセッサに関する画期的な発表からわずか数週間後にもたらされました。 Google の 105 量子ビット プロセッサは、量子ビットを追加するとエラーが増加するのではなく、実際には減少する可能性があることを示しました。すでに述べたように、このプロセッサは、今日の最速のスーパーコンピューターでは理論的には 10 セプティリオン年かかる特殊な計算を 5 分で完了しました。
#シリコン原子核で量子シュレーディンガーの猫を実現