これまで解決できなかった問題を解決する新しいアナログ量子コンピューター

Sep 04, 2023

2023 年 1 月 30 日

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ユニバーシティ・カレッジ・ダブリン著

物理学者たちは、最も強力なデジタル スーパーコンピューターでは解決できない難しい物理問題に取り組むことができる、新しいタイプのアナログ量子コンピューターを発明しました。

米国のスタンフォード大学とアイルランドのダブリン大学（UCD）の科学者らの共同研究によってNature Physicsに発表された新しい研究は、量子コンポーネントを備えた回路を備えた新しいタイプの高度に専門化されたアナログコンピュータが最先端の問題を解決できることを示した以前は手の届かなかった量子物理学を解明しました。 このようなデバイスをスケールアップすると、物理学における最も重要な未解決の問題のいくつかを解明できる可能性があります。

たとえば、科学者や技術者は、超電導について長い間理解を深めたいと考えてきました。これは、MRI 装置、高速鉄道、長距離のエネルギー効率の高い電力網で使用されている超電導材料など、現在、超電導材料は極低温でしか動作しないためです。 、その広範な使用が制限されます。 材料科学の聖杯は、室温で超電導となる材料を発見することであり、これは多くの技術における材料の使用に革命をもたらすでしょう。

アンドリュー・ミッチェル博士は、UCD 量子工学・科学・技術センター (C-QuEST) の所長であり、UCD 物理大学院の理論物理学者であり、この論文の共著者でもあります。

同氏は、「特定の問題は、最速のデジタル古典コンピューターでも解決できないほど複雑です。高温超伝導体のような複雑な量子材料の正確なシミュレーションは、非常に重要な例です。そのような計算は現在の能力をはるかに超えています。現実的なモデルの特性をシミュレートするために必要な指数関数的な計算時間とメモリ要件。」

「しかし、デジタル革命を推進する技術と工学の進歩により、物質をナノスケールで制御する前例のない能力がもたらされました。これにより、私たちは量子物理学の特定のモデルを解く「量子シミュレーター」と呼ばれる特殊なアナログコンピューターを設計できるようになりました。ナノスケールコンポーネントの固有の量子力学特性を活用する物理学におけるすべての未解決の問題を解決するのに十分なパワーを備えた汎用のプログラム可能な量子コンピューターを構築することはまだできていませんが、今私たちができることは、オーダーメイドのアナログデバイスを構築することです特定の量子物理学の問題を解決できる量子コンポーネントを使用します。」

これらの新しい量子デバイスのアーキテクチャには、スタンフォード大学、UCD およびエネルギー省の SLAC 国立加速器研究所 (スタンフォードにある) の研究者によって考案された、ナノ電子回路に組み込まれたハイブリッド金属半導体コンポーネントが含まれています。 David Goldhaber-Gordon 教授が率いるスタンフォード大学の実験ナノサイエンス グループがこのデバイスを構築および運用し、理論とモデリングは UCD の Mitchell 博士が担当しました。

スタンフォード材料エネルギー科学研究所の研究者であるゴールドハーバー・ゴードン教授は、「私たちは常に、関心のある現象の本質を捉えられることを期待して数学モデルを作成していますが、たとえそれを信じていたとしても、そうですね、適切な時間内に解決できないことがよくあります。」

量子シミュレーターを使えば、「これまで誰も操作できなかったノブを回すことができる」とゴールドハーバー・ゴードン教授は語った。

ゴールドハーバーゴードン氏によると、これらのアナログデバイスの本質的なアイデアは、プログラマブルデジタルコンピュータ用のコンピュータコードを書くのではなく、解決したい問題に類似したハードウェアを構築することだという。 たとえば、夜空の惑星の動きと日食のタイミングを予測したいとします。 それは、誰かがクランクを回し、連動する歯車の回転が月や惑星の動きを表す、太陽系の機械モデルを構築することで実現できます。

実際、そのようなメカニズムは、2000年以上前に遡る、ギリシャの島の沖合にある古代の難破船で発見されました。 このデバイスは、非常に初期のアナログ コンピューターとみなすことができます。

鼻で笑われるわけではありませんが、アナログ マシンは、20 世紀後半になっても、当時の最先端のデジタル コンピューターでは難しすぎる数学的計算に使用されていました。

しかし、量子物理学の問題を解決するには、デバイスに量子コンポーネントが含まれている必要があります。 新しい量子シミュレータ アーキテクチャには、量子力学の法則によって特性が支配されるナノスケール コンポーネントを備えた電子回路が含まれています。 重要なのは、そのようなコンポーネントを多数製造でき、それぞれが他のコンポーネントと本質的に同じように動作することです。

これは、量子材料のアナログ シミュレーションにとって非常に重要です。量子材料のアナログ シミュレーションでは、回路内の各電子コンポーネントがシミュレーション対象の原子の代理となり、「人工原子」のように動作します。材料内の同じ種類の異なる原子が同じように動作するのと同じです。アナログコンピュータのさまざまな電子コンポーネントも同様でなければなりません。

したがって、新しい設計は、個々のユニットからバルク量子物質をシミュレートできる大規模なネットワークまで技術をスケールアップするための独自の経路を提供します。 さらに、研究者らは、そのようなデバイスで新しい微視的な量子相互作用を操作できることを示した。 この研究は、新世代のスケーラブルなソリッドステート アナログ量子コンピュータの開発に向けた一歩です。

新しい量子シミュレータ プラットフォームを使用してアナログ量子計算の能力を実証するために、研究者らはまず、結合された 2 つの量子コンポーネントで構成される単純な回路を研究しました。

このデバイスは、特有の量子相互作用によって結合した 2 つの原子のモデルをシミュレートします。 研究者らは、電圧を調整することで、電子が通常の電荷の 1/3 しか持たないように見える新しい物質状態、いわゆる「Z3 パラフェルミオン」を作り出すことができました。 これらのとらえどころのない状態は、将来のトポロジカル量子計算の基礎として提案されていますが、これまで電子デバイスの実験室で作成されたことはありませんでした。

「量子シミュレーターを2つのナノサイズのコンポーネントから多くのナノサイズのコンポーネントにスケールアップすることで、現在のコンピューターでは処理できない、より複雑なシステムをモデル化できることを期待しています」とミッチェル博士は述べた。 「これは、私たちの量子宇宙の最も不可解な謎のいくつかを最終的に解明するための第一歩となるかもしれません。」

詳しくは： Andrew Mitchell、2 サイト電荷近藤回路におけるエキゾチック量子臨界点の量子シミュレーション、Nature Physics (2023)。 DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4。 www.nature.com/articles/s41567-022-01905-4

雑誌情報:自然物理学

ユニバーシティ・カレッジ・ダブリン提供