量子双子: アナログ シミュレーションにおけるシリコンの飛躍

量子コンピューターは実用化に向けてゆっくりと努力を続けていますが、一部では別のアプローチ、つまりアナログ量子シミュレーションを追求しています。このパスでは、量子ビットとして知られる量子情報の単一ビットを完全に制御することはできません。これは万能の量子コンピューターではありません。代わりに、量子シミュレーターは、個々の分子、化学反応、新規材料など、複雑でアクセスが難しいものを直接模倣します。アナログ量子シミュレーションには柔軟性が欠けていますが、実現可能性ではそれを補っています。量子シミュレーターはすでに準備が整っています。

「量子コンピューターで通常行われる量子ビットを使用する代わりに、問題をアレイ自体の形状と構造に直接エンコードするだけです」と、シドニーを拠点とする新興企業シリコン クォンタム コンピューティングの量子システム エンジニアリング リード、サム ゴーマン氏は述べています。

昨日、シリコン量子コンピューティングは、シリコン量子シミュレーターであるQuantum Twins製品を発表し、顧客は直接契約を通じて利用できるようになりました。同時に、研究チームは、15,000個の量子ドットで構成されたデバイスが、よく研究されている材料の絶縁体から金属への遷移、およびその間のすべての状態をシミュレートできることを実証しました。彼らは今週、自分たちの研究結果を雑誌に掲載しました 自然。

「世界中の誰もできないと思われていることが、今なら私たちにはできるのです」とゴーマン氏は言う。

強力なプロセス

製品の発表は昨日行われたが、シリコン量子コンピューティングのチームは、2017年のスタートアップ設立に続いて、同社の創設者ミシェル・シモンズが25年以上にわたって指揮してきた学術研究に基づいて、精密アトム量子ビット製造プロセスを確立した。基礎となる技術は、シリコン内に単一のリン原子をサブナノメートルの精度で配置する製造プロセスです。

シモンズ氏は、リン原子をシリコンにパターン化するために 38 段階のプロセスを行っています。このプロセスは、水素の層でコーティングされるシリコン基板から始まります。次に、走査型トンネル顕微鏡を使用して、個々の水素原子が表面から叩き落とされ、その下のシリコンが露出します。次に、表面にホスフィン ガスが注入されます。ホスフィン ガスは、シリコンが露出している場所でのみ表面に吸着します。低温熱アニールにより、リン原子がシリコン結晶に取り込まれます。次に、その上にシリコンの層が成長します。

「これは超高真空で行われます。つまり、非常に純粋で非常にクリーンなシステムです」とシモンズ氏は言います。 「これは、私たちがサブナノメートルの精度で作る完全モノリシックチップです。2014年に、私たちはチップ内にマーカーを作成する方法を発見しました。そうすれば、戻ってきて、デバイス内の原子をどこに配置してコンタクトを作成するかを見つけることができます。その後、それらのコンタクトは、原子やドットと同じ長さのスケールで作成されます。」

研究チームはリンの単一原子を配置することはできるが、そのような原子のクラスターを 10 ～ 50 個使用して、これらのアプリケーション固有のチップのレジスターとして知られるものを構成している。これらのレジスタは量子ドットのように機能し、個々の原子の量子特性を保存します。レジスタはチップ上に配置された接点からのゲート電圧によって制御され、レジスタ間の距離を正確に制御することでレジスタ間の相互作用を調整できます。

同社は、この技術を使用したより伝統的な量子コンピューティングも追求していますが、個々の量子ビットを制御することなく、単一チップ上に数千のレジスタを配置し、グローバルな特性を測定することで、アナログ領域で有用なシミュレーションを実行できる能力をすでに備えていることに気づきました。

「非常にユニークなのは、それを非常に迅速に実行できることです」とシモンズ氏は言います。 「これらのレジスターを 250,000 個設置しました [on a chip] 8 時間以内にチップ設計を変更できるのは 1 週間以内です。」

何をシミュレートするか

2022 年に遡ると、シリコン 量子コンピューティングのチームは、これと同じテクノロジーの前のバージョンを使用して、ポリアセチレンの分子をシミュレートしました。この化学物質は、単結合と二重結合が交互に並んだ炭素原子で構成されており、重要なことに、鎖が単結合で切断されるか二重結合で切断されるかによって、その導電性が大幅に変化します。一重炭素結合と二重炭素結合を正確にシミュレートするために、チームはレジスターの距離をサブナノメートルの精度で制御する必要がありました。研究者らは、各量子ドットのゲート電圧を調整することで、導電率のジャンプを再現した。

今回、彼らはより大きな問題、つまり二次元材料の金属絶縁体転移について量子双生技術を実証した。ポリアセチレン分子には 10 個のレジスタが必要でしたが、新しいモデルでは 15,000 個のレジスタが使用されました。金属絶縁体モデルは、ほとんどの場合、古典的なコンピューターではシミュレートできないため、重要です。完全金属段階または完全絶縁段階の極端な場合、物理学を簡素化し、古典的なコンピューティングにアクセスできるようにすることができます。しかし、曖昧な中間領域では、各電子の完全な量子複雑さが影響しており、この問題は古典的に解決困難です。 「これは、古典的なコンピューティングにとって困難な部分です。しかし、実際には、システムをこの領域に非常に簡単に組み込むことができます」とゴーマン氏は言います。

金属絶縁体モデルは概念実証でした。ゴーマン氏は、現在、チームはほぼすべての 2 次元問題に対して量子双子を設計できると述べています。

「デバイスが予測どおりに動作していることを実証したので、影響の大きい問題や未解決の問題に注目しています」とゴーマン氏は言います。研究チームは、型破りな超伝導、磁性の起源、電池内で発生するような材料界面などを調査する予定だ。

最初の応用は科学分野になる可能性が高いが、シモンズ氏は、量子ツインが最終的には創薬などの産業応用に役立つことを期待している。 「さまざまな薬物を見てみると、それらは実際にはポリアセチレンに非常に似ています。それらは炭素鎖であり、官能基を持っています。したがって、それをマッピングする方法を理解することは重要です」 [onto our simulator] ユニークな挑戦です。 「しかし、それが私たちが注力する分野であることは間違いありません。私たちは潜在的な可能性に興奮しています。」と彼女は言います。