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ヘリオス 1 号: 新しい量子コンピューターが超伝導解明への道を進んでいる

Helios-1 量子コンピューティング チップ幾つか 量子コンピューティング企業Quantinuumの研究者らは、新しいHelios-1量子コンピュータを使用して、超伝導の研究に長年使用されてきた数学モデルをシミュレートした。これらのシミュレーションは従来のコンピューターでも不可能ではありませんが、この進歩により、量子コンピューターが材料科学の有用なツールとなるための準備が整えられました。 超伝導体は完璧な効率で電気を伝導しますが、現時点では実用には低すぎる温度でしか機能しません。物理学者たちは何十年もの間、その構造を微調整して室温で動作させる方法を理解しようと努めてきましたが、その答えはフェルミ・ハバード・モデルと呼ばれる数学的枠組みから得られると多くの人が信じています。この可能性により、このモデルはすべての物性物理学において最も重要なモデルの 1 つになる、と Quantinuum の Henrik Dreyer 氏は述べています。 従来のコンピューターは、フェルミ-ハバード モデルの例外的なシミュレーションを実行できますが、非常に大規模なサンプルや、時間の経過とともに記述される材料が変化する場合には困難を伴います。量子コンピューターには、最終的にはさらに優れた成果が得られる可能性があります。現在、ドライヤーと彼の同僚は、フェルミ・ハバードモデルのこれまで最大規模のシミュレーションを量子コンピューター上で実行しました。 彼らは、バリウムイオンから作られた98量子ビットを備えたヘリオス1を使用し、それぞれがレーザーと電磁場で制御された。シミュレーションを実行するために、研究者らは一連の量子状態を通じて量子ビットを操作し、その特性を測定することで出力を読み取りました。彼らのシミュレーションには、フェルミ粒子と呼ばれる 36 個の粒子が含まれていました。これらの粒子は、まさに実際の超伝導体に存在する粒子の種類であり、フェルミ-ハバード モデルによって数学的に記述されます。 超伝導体が機能するためには、フェルミ粒子が対を形成する必要があり、そのような対形成は材料にレーザーを当てることによって開始される場合があることが実験で判明した。 Quantinuum のチームは、このシナリオをシミュレートしました。レーザー パルスを量子ビットに当て、その結果の状態を測定し、シミュレートされた粒子のペアリングの兆候を見つけました。このシミュレーションは実験を正確に再現したものではありませんでしたが、動的プロセスを捉えました。これは、少数の粒子以上に適用する場合、従来のコンピューター手法では困難でした。 ドライヤー氏は、今回の実験はヘリオス1号があらゆる従来のコンピューティング手法に対して優位性を持っていることを厳密に証明するものではないが、古典的なシミュレーション手法を検討することで量子コンピューターが競合できるとチームに確信を与えたと述べた。 「私たちが試した方法では、同じ結果を確実に得るのは不可能でした。量子コンピューターでは数時間かかるのに、物事の古典的な側面では大きな疑問符がつきました。」と彼は言います。言い換えれば、チームの古典的な計算時間の推定は非常に長く、いつヘリオスの研究に匹敵するかを判断するのが困難でした。 トラップされたイオンは Helios-1 チップ内で量子ビットとして機能します幾つか 他の量子コンピューターは超伝導を実現するためのフェルミオン対のシミュレーションにはまだ取り組んでいないが、研究チームはその成功はヘリオスのハードウェアのおかげだと考えている。同じくQuantinuumのDavid Hayes氏は、Heliosの量子ビットは非常に信頼性が高く、量子コンピューティング業界全体で一般的なタスクのベンチマークに優れていると述べています。予備テストでは、量子もつれを介してこれらの特殊な量子ビットのうち 94 個を接続するなど、エラーのない量子ビットを使用した実験を維持することもできました。これはすべての量子コンピューターにわたる記録です。今後のシミュレーションでそのような量子ビットを使用すると、シミュレーションがより正確になる可能性があります。 カリフォルニアのハーベイ・マッド大学のエドゥアルド・イバラ・ガルシア・パディラ氏は、新しい結果は有望だが、最先端の古典的なコンピュータシミュレーションと比較して慎重にベンチマークする必要があると述べた。彼によれば、フェルミ・ハバードモデルは1960年代以来物理学者にとって非常に興味深いものであったため、それを研究するための新しいツールを手に入れることができて興奮しているという。 Helios-1 で使用されているようなアプローチが、従来の最高のコンピュータに対する真の競合となるのがいつになるかは誰にもわかりません。なぜなら、さらに多くの詳細を解明する必要があるからです、とカリフォルニア大学アーバイン校の Steve White 氏は述べています。たとえば、量子コンピューターのシミュレーションを適切な量子ビット特性のセットで確実に開始することには課題があると彼は言います。しかし、ホワイト氏は、量子シミュレーションは、特に材料の動的または変化する挙動に関して、古典的なシミュレーションを補完するものになる可能性があると述べています。 「それらは凝縮物質の有用なシミュレーションツールになる途上にあります」…