NISTの量子シミュレーターは数百の量子ビットの相互作用を模倣する

卵が先か鶏が先かという話になるが、コンピューター科学者や物理学者が量子コンピューターの実現を追求する多くの理由の 1 つは、量子システム自体をモデル化するためだ。数十個の粒子しかないシステムの量子特性をモデル化することは、従来型の最大のスーパーコンピューターでも不可能であり、新素材や次世代の科学を追求するには、それを実現する方法を見つける必要がある。そのため、米国立標準技術研究所 (NIST) の物理学者が、数百の量子ビット間の相互作用をシミュレートできる量子シミュレーターを構築したことは注目に値する。

これは量子コンピューティングの究極の目標ではありませんが、大きな前進です。NIST シミュレーターは基本的にベリリウムイオンの単層で、数百のイオンがペニングトラップと呼ばれるチャンバー内で浮遊する直径 1 ミリメートル未満の円形の平面に広がっています。この場合の量子ビット (キュービット) は各イオンの最外殻電子で、古典的なビットである 0 または 1 (量子コンテキストでは同時に両方) の量子版として機能します。

NIST の物理学者は、レーザーでイオンを絶対零度近くまで冷却し、慎重にタイミングを計ったマイクロ波とレーザーのパルスでイオンを叩くことで、電子を制御された方法で相互作用させることに成功しました。この方法では、実験室では実際には研究できない複雑な量子システムを、少なくとも数学的には模倣します。したがって、これは真の量子コンピューターというよりは量子システム シミュレーターですが、それでも興味深いものです。この種のシミュレーションは、物理学者が極めて複雑で驚くべき理論上の材料をモデル化して研究するのに役立つ可能性があります。たとえば、将来的には電力網で電気を熱としてほとんど失うことなく長距離移動させることができる高温超伝導体などです。

NIST の報告によると、この量子シミュレーションの初期のベンチマーク実験は良好に見えたが、その作成をベンチマークするには、システムが古典的コンピューターで確認できるほど単純である必要があったため、電子間の相互作用が比較的弱い状態で実験を実行する必要があった。ここで物理学者たちは、量子コンピューティングの分野が直面している主要な問題の 1 つにぶつかった。

最初の量子コンピューター (またはシミュレーター) の有効性を確認するには、科学者は実際に機能する量子コンピューターが必要になります。これは、真の量子コンピューティング プラットフォームを構築するまでの過程で、試行錯誤を繰り返すことになるパラドックスです。初期の量子のブレークスルーは、答えの正確さを遡って確認することが不可能な代数問題と同等のものを生み出すことになります。しかし、これは量子物理学とコンピューター サイエンスの最先端であり、確実性はいずれにしても退屈です。

サイグル