中性原子を使って計算を行うには、中性原子量子ビットを実現し、制御し、操作し、測定する必要がある。詳細について説明しよう。
原子は自然界の完璧な量子ビットである。それらはすべて互いに同一であり、同時に量子情報の保存と処理が可能である。この均一性により、不完全性に悩まされる可能性のある製造された量子ビットよりも優位に立つことができる。
原子は原子核とその電子雲で構成されている。QuEraではルビジウム原子を使用しています。原子のプラスとマイナスの電荷が釣り合っているとき、その原子は中性であると言われています。原子にレーザーを照射することで、原子のエネルギーを高め、励起させることができる。各原子はそれぞれ異なるエネルギー準位にあり、幅広い潜在的励起状態を持っている。これは、量子情報の保存と処理に最適なプラットフォームとなる。このような2つの準位から任意のものを選び、「0」と「1」と名付けて量子ビットを形成することができる。
私たちは、光ピンセットの役割を果たすレーザーを使って、個々の原子を所定の位置に捕捉する。レーザーは原子の動きを抑制し、原子をほぼ絶対零度まで効果的に冷却する。この温度では、原子の個々の離散的なエネルギー準位を分解して操作することができ、その中には1秒を超える巨大なコヒーレンス時間をもたらすものもある。
リュードベリ原子はオンデマンドで相互作用する。原子が励起されていないときは、システム内の量子ビットの総数に関係なく、エラーに強い。これにより、我々のマシンの計算能力が大幅に向上する。
原子がリュードベリ状態と呼ばれる高エネルギー状態に励起されると、その電子雲は元の大きさの約1000倍という比較的巨大なスケールまで膨れ上がる。このリュードベリ状態では、異なる原子が長距離にわたって相互作用することができ、原子間で量子情報を伝達することが可能になる。これにより、量子情報操作の重要な要素のひとつであるエンタングルメントが可能になる。
リュードベリ原子間の相互作用機構は「ファンデルワールス」相互作用として知られており、これは膨張した原子の強い双極子モーメントに由来する。この相互作用は原子間距離の6乗に比例して減少し、原子が近接したときにのみ強く相互作用することを意味している。実際、この相互作用は非常に強力になり、隣接する2つの原子が同時に励起されない「リュードベリ遮断」効果を引き起こすことがある。このメカニズムにより、条件付き量子論理や2量子ビットゲートの実現が可能になる。
長距離リュードベリ相互作用を利用することで、多量子ビットゲートのゲート分解オーバーヘッドを減らすことができる。これにより、エラーを最小限に抑え、処理速度を向上させることができる。
驚くべきことに、リュードベリ原子の大きさは、近接する複数の量子ビットを包含することができ、相互作用を可能にする。ネイティブな1量子ビットや2量子ビットのゲートしか実装できない多くの量子コンピューターとは異なり、リュードベリ遮断メカニズムはネイティブな多量ビットゲートの開発を容易にする。
トフォリ・ゲート（左の画像参照）のようなゲートは、多くの量子アルゴリズムにおいて重要な位置を占めている。これらのマルチ量子ビット・ゲートをネイティブにエンコードすることで、アルゴリズムの回路深度を大幅に減らすことができ、それによってエラーを大幅に軽減することができる。この典型的な例が、ショールのアルゴリズムの一定深さの実装である。
中性原子量子コンピューターの原子と制御システムは、部屋に簡単に収まる。この小さな設置面積により、中性原子コンピュータは極低温冷却を必要とせず、研究室やデータセンターに簡単に導入することができる。
レーザーで捕捉された数万個の原子は、1平方ミリメートルよりも小さな領域に詰め込むことができる。さらに、音響光学偏向器を使えば、数個のレーザーで複数の量子ビットを正確に制御することができる。
量子ビットの柔軟な配置は、再構成可能なレイアウトを可能にする。これをアルゴリズム設計に活用することで、ゲートのオーバーヘッドを抑えることができ、効率的な回路と開発サイクルの大幅な短縮につながる。異なるコンフィギュレーションを必要とする新しいアプリケーションは、ハードウェアを再組み立てすることなく実装できる。
レーザーが空間内を自由に移動できることを考えると、中性原子もほとんどどのような配置でも可能である。この柔軟性により、各問題の特定の要件を満たすために、量子ビットの接続性を調整し適応させることができる。さらに、新しいアプリケーションでは、ハードウェアの再組み立てを必要とせずに新しい構成を利用できるため、開発サイクルが大幅に短縮されます。
小型で効率的な制御メカニズムにより、インターコネクトを必要とせずに量子ビット数を飛躍的に増やすことができる。制御信号の数は量子ビットの数より大幅に少なくできるため、高度なスケーリングが実用的になる。
量子ビット符号化のために原子準位を適切に選択すれば、計算中に原子をコヒーレントに移動させることもできる。これは中性原子技術の重要な利点である。これは効率的なメモリバスサービスを促進し、大規模な量子ビットの包括的な接続を可能にする。これはエラー訂正において特に有利であり、ゲート選択とエラー訂正符号に新たな可能性をもたらす。その一例が、周期的境界条件を持つキタエフのパラダイムトーリック符号のハーバード独自の実現である。さらに、量子ビットのシャトリングは、メモリと処理のためのゾーン化されたアーキテクチャを可能にし、量子ビット数に対する制御線の比率をさらに高める。これらの特徴を総合すると、中性原子量子コンピュータは、実用性とスケーラビリティの点で、望ましいアーキテクチャであると言える。
量子ビットシャトリングの意味についてもっと知る
コアとなる中性原子プロセッサーには、デジタル量子ゲート、エラー訂正、メモリー、処理ゾーンなど、さまざまな機能を実現するモジュールを搭載することができる。
中性原子は、デジタルとアナログという異なる計算モードを独自にサポートしており、それぞれに利点がある。QuEraのコンピュータのユーザーは、解決したい特定の問題に最適なモードを選択することができる。
デジタル・ゲート・ベース・モードは、複雑な演算を、一度に1つまたは2つの量子ビットを操作するいくつかの初歩的なステップ（ゲート）に分解する。ゲートは2つの計算状態の間で量子ビットを移動させる。ゲート・シーケンスは、システム全体の計算状態をある状態から別の状態に変化させる。測定すると、最終的な状態はビット列となり、計算の結果を捉える。
ゲート・ベースの動作モードは、わずかな初歩的な操作のセットだけで、普遍的な機能とプログラマビリティを可能にするエレガントなレシピを提供する。
アナログ・モード、デジタル・モード、またはその両方の組み合わせで作業できるため、ユーザーは最適なメカニズムを選択し、目の前の問題に対する質の高い解決策を導き出すことができる。
物理レベルでは、デジタル量子演算は、ハミルトニアン（物理系を時間と共に変化させる力を記述する関数）によって表現される連続的な状態遷移である。ハミルトニアンを十分に制御することができれば、ゲートベースのモードをバイパスして、アナログ計算モードを選択することができる。アナログ・モードは、ゲートベース・モードほど普遍的ではないが、それが可能であれば、アルゴリズムを初歩的なステップに分解することなく、答えを直接導くことができ、デジタル計算モードにありがちなノイズやコヒーレンスの問題の多くを回避することができる。
エラーに対する頑健性と効率的な制御機構を組み合わせることで、256量子ビットのマシンを組み立てることができた。このマシンは、様々な実用的な問題に対して非シミュレート可能な領域に入るのに十分強力であり、従来のスーパーコンピューターの能力を凌駕している。
デジタル・ゲート・ベース・モードでは、各ステップでエラーが発生し、計算の過程で蓄積される可能性がある。対照的に、アナログ・モードでは、欠陥ゲートの蓄積に悩まされることがないため、エラーの影響を受けにくく、量子コンピューティングの成熟段階に非常に適している。
アナログ量子モードは、制御要件の簡素化と相まって、より少ない制御信号でより多くの量子ビットを効率的に操作することを可能にする。
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