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2025-01-09 12:00:00
ここにあるアーティストの構想に見られる新しい量子冷蔵庫は、超伝導回路に基づいています。低温を記録するために量子ビットを冷却するこのデバイスは、2 つの量子ビット (ホット量子ビット (右上) とコールド量子ビット (中央)) で構成されており、これらが 3 番目のターゲット量子ビット (左下) を冷却します。量子冷凍機は、近くの高温環境からの熱を利用して、ターゲット量子ビットから自律的に熱エネルギーを抽出し、低温環境に放出します。その結果、ターゲット量子ビットは最小限のエラーで高品質の基底状態に到達し、効率的な量子計算に備えられます。このデバイスは、スウェーデンのチャルマーズ工科大学のナノ加工研究室 Myfab で作成されました。
クレジット: チャルマーズ工科大学/Boid AB/NIST
この研究活動は、スウェーデンの物理学者との共同研究によるものです。 チャーマーズ工科大学は、量子コンピュータの設計者が直面している主要な問題の 1 つ、つまり超伝導量子プロセッサ内のビットをエラーのない状態に保ち、必要なときにいつでも計算を実行できるようにする必要性を解決できる可能性があります。これらの「量子ビット」は熱や放射線に敏感であることで知られており、はぐれたチョークの跡によって数字の 1 が 7 に見えるのと同じように、計算が台無しになる可能性があります。
計算後にこれらの量子ビットを消去するには、絶対零度を数分の 1 度上回るまで冷却し、そこに保持する必要があります。研究チームの方法は、達成する温度が低いため、量子ビット黒板を消去する他の最先端の方法よりも効果的であるだけでなく、2 つの部品間を流れる熱を利用して消しゴムに電力を供給するという新しい方法でもそれらを実現します。コンピューターを冷たく保つ冷蔵庫。このアプローチは、他の方法でも役立つことが判明する可能性があります。
「この論文の技術は量子コンピュータに役立つ可能性がある」と、研究チームのNISTとメリーランド大学量子情報・コンピュータサイエンス共同センターの物理学者であるニコール・ユンガー・ハルパーン氏は述べた。クイックス）。 「これは量子コンピューター設計の問題の 1 つに対処できる可能性があり、コンピューターの冷蔵庫の一部から熱を吸い上げ、その熱を仕事に変換できることも示しています。私たちがまだ考えてもいない技術的機能が導入される可能性があります。」
チームによるこの方法の原理実証デモンストレーションが本日のジャーナルに掲載されます 自然物理学。
量子コンピューターは成熟にはほど遠いものの、医薬品設計において重要な複雑な分子構造のシミュレーションなど、従来のコンピューターでは容易に実行できない特定のタスクを実行できる可能性を提供するため、依然として熱心な研究の対象となっています。これらの予測される機能は、量子ビットと従来のコンピューターのビットの違いに由来します。従来のビットは 1 または 0 の 2 つの状態で存在できますが、量子ビットは両方の値を同時に持つことができ、名目上、量子コンピューターが膨大な数のビットをふるいにかけることを可能にします。潜在的な解決策を一度に。
量子ビットを作成する有望な方法は、研究チームが研究で使用したタイプの超伝導回路から量子ビットを構築することです。超伝導量子ビットは、調整可能性などの利点をもたらします。実験者は、量子ビットの特性を必要に応じて変更できます。ただし、量子ビットは、たとえ超伝導であっても、すぐにエラーが発生し、計算が台無しになる可能性があります。
超伝導量子ビットを消去するということは、超伝導量子ビットを最も低いエネルギー状態にリセットすることを意味しますが、これは難しいことがわかっています。量子ビットをリセットする効果的な方法は、量子ビットを可能な限り低温にし、数十ミリケルビン (mK)、つまり絶対零度より 1000 分の 1 度上回る温度にすることです。これまで、最良のリセット方法では量子ビットが 40 ～ 49 mK の範囲に収まっていました。これらの数字は良いように聞こえるかもしれないが、十分ではないと、共著者であり量子物理学者であるチャルマーズ工科大学のアーミル・アリ氏は述べた。同大学では研究チームの実験研究が行われ、主任研究員シモーネ・ガスパリネッティ氏の監督下で行われた。
「量子コンピューターでは、計算が進むにつれて初期エラーが増大する可能性があります」とアリ氏は言う。 「最初にそれらをより多く取り除くことができれば、後でより多くの労力を節約できます。」
研究チームの方法では量子ビットを22mKまで冷却できる。この改善により、ボードがより完全に消去され、将来的にトラブルを引き起こす初期エラーの可能性が減少します。
「量子ビットをそれほど低い温度まで冷却しなければ、ボードをこれほど完全に消去することはできないでしょう」とユンガー・ハルパーン氏は言う。
チームは、これまで実用的なマシンで利用されたことのない「量子冷凍」技術を使用して、これらのパフォーマンス数値を達成しました。冷蔵庫は、ある種のエネルギーを使用して冷蔵庫の内部から熱を奪い、物体を冷却します。従来のキッチン用冷蔵庫のエネルギー源は電気ですが、量子冷蔵庫は、コンピューター内の他の場所からの熱を使用して仕事を行います。
チームの冷蔵庫は、コンポーネントとして他の 2 つの量子ビットを使用しています。 1 つの量子ビットは、コンピューターのより暖かい部分に接続され、エネルギー供給として機能します。 2 番目の量子ビットは、計算量子ビットの不要な余分な熱が流れるヒートシンクとして機能します。実際の量子コンピューターでは、計算量子ビット (黒板) が熱くなりすぎると、冷蔵庫の最初の量子ビットが計算量子ビットからヒートシンクに熱を送り込み、ヒートシンクが熱を運び去り、計算量子ビットをほぼ基底状態に戻します。そしてボードを消去します。
このプロセスは自律的に動作し、計算量子ビットの計算能力を維持するために最小限の外部制御または追加リソースを必要とします。
「私たちは、このアプローチがより信頼性の高い量子コンピューティングへの道を開くと考えています」とアリ氏は語った。 「現時点では、量子コンピューターのエラーを管理するのは困難です。基底状態に近い状態から始めると、最終的に修正が必要なエラーが少なくなり、エラーが発生する前に減少します。」
論文: MA アーミル、PJ スリア、JAM グスマン、C. カスティージョ モレノ、JM エプスタイン、N. ユンガー ハルペルン、S. ガスパリネッティ。熱駆動量子冷凍機は超伝導量子ビットを自律的にリセットします。 自然物理学。 2025 年 1 月 9 日にオンラインで公開。DOI: 10.1038/s41567-024-02708-5
#小説量子冷蔵庫は量子コンピュータの黒板を消すのが得意