Nature: MITの研究者が量子処理と量子通信を組み合わせた巨大原子を作製

量子コンピュータは常に神秘的で「ハイエンド」な存在でした。中国科学院の院士である潘建偉氏はかつて、次のような例え話をした。「従来のコンピューターの速度が「自転車」だとすれば、量子コンピューターの速度は「飛行機」だ」量子コンピュータの極めて高い計算速度は、素晴らしい量子特性から生まれます。従来のコンピューターはビットに基づいており、すべてが「0」または「1」のいずれかです。量子コンピュータは「0」または「1」のいずれかになる量子ビットを使用します。

これだけでも、量子コンピュータは従来のコンピュータよりもはるかに優れています。

しかし、せっかちな量子コンピュータには致命的な弱点があります。量子ビットは非常に壊れやすく、慎重に管理しないと特殊な量子特性を失ってしまいます。そのため、エラーが頻繁に発生し、情報が送信されると急速に劣化する可能性があります。

「量子コンピューターの主な課題の 1 つは、量子ビットが同じ場所にないときに相互作用できるようにすることです」と、MIT の電子工学およびコンピューター サイエンスの教授で、電子工学研究所の所長であるウィリアム オリーブ氏は言います。「たとえば、互いに最も近い量子ビットは簡単に相互作用できますが、遠く離れた量子ビットを離れた場所で相互作用させるにはどうすればよいのでしょうか。」

その答えは、光と物質の異常な相互作用にあります。

光子-原子量子構造

光と他の物質との相互作用はさまざまな物理的反応を引き起こし、広く研究されてきました。

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ハーバード大学の物理学教授であるエバンズ氏はかつてこう語った。「非常に強い相互作用を持つシステムを設計することは難しくありませんが、その結果生じる環境との強い相互作用は、ノイズや干渉も引き起こします。したがって、システム環境を極めて純粋にする必要がありますが、これは非常に大きな課題です。なぜなら、私たちはまったく異なる動作メカニズムの下で実験を行うことを選択しているからです。私たちが光子を選択する理由は、光子があらゆる物質と非常に弱く相互作用するからです。」

自然界の原子は光の波長に比べると小さく、点状です。しかし、超伝導の「人工原子」の場合はそうではありません。

可視光とマイクロ波を使用して量子情報を運ぶ光子を放出させることで、量子ビット内の情報を保護できます。

さらに、巨大な原子から光子が放出されなくても、導波路に沿った複数の量子ビットが相互作用して演算を実行することができます。

巨大な人工原子？調整可能です

簡単に言えば、人工原子は実際には超伝導回路ですが、原子のように動作します。天然の原子と同様に、電子を獲得して励起し、光を発してエネルギーを放出します。

これを基に研究者らは「巨大原子」を構築した。

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2 つの超伝導量子ビットは巨大な人工原子として機能します。これらの「原子」はデコヒーレンスから保護されていますが、導波管を通じて相互作用します。

この「巨大原子」の特別な点は、調整可能であることです。研究者は量子ビットと導波路（つまり電磁導波路）の相互作用の強さを調整することができます。このように、導波路加速を使用すると、高忠実度の操作を実行しながら、壊れやすい量子ビットをデコヒーレンスや自然減衰から保護できます。

なぜこれをするのですか?

計算が完了すると、量子ビットと導波管間の結合（相互作用、相互影響）の強度が再調整され、量子ビットは量子データを光子の形で導波管に放出できるようになります。

「量子ビットを導波路に結合すると、量子ビットの寿命が大幅に短くなるため、量子ビット操作には通常非常に悪影響があります」と、MIT の大学院生で論文の筆頭著者であるバラス・カンナンは述べています。「しかし、量子情報をプロセッサ全体に放出し、転送するには導波路が必要です。ここでは、量子ビットが導波路に強く結合されていても、量子ビットのコヒーレンスを維持できることを示しています。これにより、量子ビットに保存されている情報をいつ放出するかを決定できます。巨大原子を使用して、導波路との相互作用をオン/オフする方法を示しました。」

量子処理と量子通信が統合され、2量子ビットのエンタングルメントの忠実度は94%

研究者らは、これは光と物質の相互作用に関する新たなメカニズムを表しているという。 「巨大原子」は本質的には電気回路であるため、導波管に結合すると、その構造は相互作用するマイクロ波の波長と同じ大きさになります。

「巨大原子」は、低エラーの量子コンピューティングを実行できると同時に、量子通信情報をプロセッサ間で迅速に共有することも可能になります。この研究は量子情報処理と量子通信を統合したものであり、完全な量子プラットフォームに向けた重要な一歩となります。

研究者らは、巨大原子を組み込んだ量子ビットのコヒーレンス時間は約 30 マイクロ秒であると観測した。これは、導波路に結合されていない量子ビットとほぼ同じ時間 (10 ～ 100 マイクロ秒) にわたって量子ビットが量子状態を維持したことを意味する。

さらに、この研究では、94% の忠実度で 2 量子ビットのエンタングルメントが実証されました。研究者らが、強く結合した導波路内の量子ビットについて 2 量子ビットの忠実度を引用したのは今回が初めてです。なぜなら、このような構造では、従来の小さな原子を使用したこのような操作の忠実度は通常低いからです。

実験のセットアップ

カンナン氏はまた、さらなる調整、運用調整手順、最適化されたハードウェア設計によって忠実度をさらに向上できると述べた。