以前は解決できなかった問題を解決: 新しいタイプのアナログ量子コンピュータ

Sep 04, 2023

UCD Research & Innovation より 2023 年 3 月 10 日

アナログ量子コンピューターは、量子波動関数の振幅や位相などの連続変数を使用して動作し、計算を実行する量子コンピューターの一種です。

物理学者は、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学問題に対処できる、新しいタイプのアナログ量子コンピューターを開発しました。

A groundbreaking study published in Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">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）の科学者チームによるNature Physicsは、回路に量子コンポーネントを備えた新型の高度に特化されたアナログコンピュータが量子物理学の複雑な問題を解決できることを明らかにした。以前は手の届かなかったもの。 これらのデバイスをスケールアップできれば、物理学における最も重要な未解決の問題のいくつかについて洞察が得られる可能性があります。

たとえば、科学者や技術者は長い間、超電導についてのより深い理解を求めてきました。 現在、MRI 装置、高速列車、エネルギー効率の高い長距離送電網で利用されているような超電導材料は、極低温でのみ機能するため、その広範な用途が妨げられています。 材料科学の最終目標は、室温で超伝導を示す材料を発見することであり、これにより多くの技術における材料の使用に革命が起こることになります。

電子回路に埋め込まれた2つの結合したナノサイズの金属半導体コンポーネントを特徴とする新しい量子シミュレータの顕微鏡写真。 クレジット: Pouse、W.、Peeters、L.、Hsueh、CL 他 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。 ナット。 物理学。 (2023年)

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。現実的なモデルのプロパティ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。

アンドリュー・ミッチェル博士は、ダブリン大学の理論物理学者であり、アイルランド研究評議会から受賞者賞を受賞しており、UCD 量子工学・科学・技術センター (C-QuEST) の所長でもあります。 クレジット: UCD メディア: 写真: Vincent Hoban

"However, the technological and engineering advances driving the digital revolution have brought with them the unprecedented ability to control matter at the nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケール。 これにより、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して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。 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能力を備えた汎用のプログラマブル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、現在できることは、特定の量子物理学問題を解決できる量子コンポーネントを備えた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。 」

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と期待して数学的モデルを作成しているが、たとえそれが正しいと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、類似のマシンは 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。

But to solve quantum physics problems, the devices need to involve quantum components. The new Quantum Simulator architecture involves electronic circuits with nanoscale components whose properties are governed by the laws of quantum mechanics. Importantly, many such components can be fabricated, each one behaving essentially identically to the others. This is crucial for analog simulation of quantum materials, where each of the electronic components in the circuit is a proxy for an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">原子はシミュレートされ、「人工原子」のように動作します。 物質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ように、アナログ コンピュータの異なる電子コンポーネントも同じように動作する必要があります。

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。 これらの捉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。」

参考文献: 「2 サイト電荷近藤回路におけるエキゾチックな量子臨界点の量子シミュレーション」Winston Pouse、Lucas Peeters、Connie L. Hsueh、Ulf Gennser、Antonella Cavanna、Marc A. Kastner、Andrew K. Mitchell、David Goldhaber 著-ゴードン、2023 年 1 月 30 日、Nature Physics.DOI: 10.1038/s41567-022-01905-4