Nature が量子コンピューティングの大きな進歩、史上初の量子集積回路の実装を発表

6月23日、オーストラリアの量子コンピューティング企業SQC（シリコン量子コンピューティング）は、世界初の量子集積回路の発売を発表した。これは、古典的なコンピューター チップにあるすべての基本コンポーネントを含む回路ですが、量子スケールです。

SQC チームは、この量子プロセッサを使用して有機ポリアセチレン分子の量子状態を正確にシミュレートし、最終的に新しい量子システム モデリング技術の有効性を実証しました。

「これは大きな進歩です」と SQC 創設者のミシェル・シモンズは言いました。今日の古典的なコンピューターは、原子間に考えられる相互作用が多数あるため、比較的小さな分子でさえもシミュレーションすることが困難です。 SQC の原子スケール回路技術の開発により、同社とその顧客は、医薬品、電池材料、触媒など、さまざまな新材料の量子モデルを構築できるようになります。これまでにない新しい素材が実現される日も遠くないでしょう。 "

研究結果は「Nature」誌の最新号に掲載されます。

#論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04706-0

古典的コンピューターを量子レベルで複製する

通常の (古典的) コンピューターと同様に、量子コンピューターはトランジスタを使用して情報をエンコードします。しかし、古典的なコンピューターとは異なり、量子コンピューターのトランジスタは量子スケール、つまり原子と同じくらい小さいサイズです。古典的なコンピューターはビット 0 と 1 を使用しますが、量子トランジスタは 0、1、または 0 と 1 の混合を使用して量子情報をエンコードします。

エンジニアは、単一原子トランジスタの量子効果を利用して計算を実行できます。しかし、量子の世界では、物事はそれほど単純ではありません。

量子の世界では、粒子は「重ね合わせ」の形で存在します。粒子の位置、運動量、その他の物理的特性は単一の値では定義されず、確率によって表されます。重ね合わせを通じて、量子ビットは通常のビットよりもはるかに複雑な多次元計算データを保存できます。

その結果、量子コンピューターは古典的なコンピューターよりも数千倍、さらには数百万倍も高速になり、最も強力な古典的なコンピューターよりもはるかに効率的に計算を実行できると期待されています。

ただし、他にも魔法のような機能があります。

重ね合わ​​せ状態が複数の系または原子に及ぶ場合、量子ビットが互いに関連する「もつれ状態」が得られます。量子ビットがもつれると、それらの変化が相互に影響を及ぼします。この量子効果は暗号分野への応用が期待されています。

しかし同時に、この影響は、使用可能な量子コンピューターを構築する科学者に問題をもたらします。

要するに、量子システムの確率的な性質は、エラーが発生しやすいことを意味します。したがって、量子マシンを作成する際の主要な課題は、量子マシンをコヒーレントにして信号内のノイズを低減することです。 SQC チームが解決できたと考えているのは、この問題です。

「量子コンピューターを作成するには、量子状態にアクセスしてコヒーレントかつ高速にできるように、原子スケールで作業する必要があります。」 SQC 創設者、論文の責任著者 Michelle Simmons言った。

#論文の責任著者 Michelle Simmons

##シモンズのチームは、2012 年に世界初の単一原子トランジスタを構築し、2021 年には初の原子スケールの集積回路を作成しました。 「私たちが検討しているのは次のデバイスです。人々が使用できる量子コンピューターを構築する前に、商業的に関連のあるある種のアルゴリズムを解決する必要があります。最初に始めたとき、私たちは何をしようとしているのかわかりませんでした」

チームは、化学式 (C2H2)n (n は繰り返し) を持つ炭素ベースの分子鎖であるポリアセチレンを選択しました。

ポリアセチレンの構造図

ポリアセチレンの原子は共有結合によって結合されています。単結合は 2 つの原子が 1 つの外側電子を共有することを意味し、二重結合は 2 つの電子が共有されることを意味します。ポリアセチレン鎖の炭素原子間の一重結合と二重結合が交互に存在するため、この分子は物理化学における興味深い研究対象となっています。

Su-Schrieffer-Heeger (SSH) モデルは、原子とその電子間の相互作用を使用して化合物の物理的および化学的特性を説明する分子理論のよく知られた表現です。 「これは古典的なコンピュータで解決できるよく知られた問題です。古典的なコンピュータではすべての相互作用を処理できるほど原子の数が少ないためです。しかし、私たちは現在、量子システムを使ってこの問題を解決しようとしています」とシモンズ氏は述べた。

##ポリアセチレンの球と棒のモデルは、炭素原子 (濃い灰色) と水素原子 (ライトグレー) 単結合と二重結合

それでは、SQC チームは量子デバイス上でポリアセチレンをどのようにシミュレーションしたのでしょうか?

「プロセッサ自体に炭素原子間の一重結合と二重結合をシミュレートさせました。」とシモンズ氏は説明します。

研究者らは、マシン内の原子トランジスタを使用して、 のポリアセチレンの共有結合をシミュレートしました。

SSH 理論によると、ポリアセチレンには「トポロジー状態」と呼ばれる 2 つの異なる状況が存在します。「トポロジー」という名前は、幾何学的形状が異なるためです。

ある状態では、単一の炭素-炭素結合でリンクを切断できるため、鎖の端に二重結合ができます。あるいは、二重結合を切断して鎖の末端に単結合を残すこともできます。これにより、単結合の距離が長くなるために両端の原子が分離されます。電流が分子鎖を通過するとき、2 つのトポロジカル状態はまったく異なる挙動を示します。

#これが理論です。 「私たちがデバイスを作ったとき、それはまさに私たちが見たものでした。ですから、とてもエキサイティングです。」とシモンズ氏は言い、メルボルン大学の量子コンピューティング上級講師であるチャールズ・ヒル博士は、私もこれに同意すると言いました。

「量子技術の最も有望な応用シナリオの 1 つは、1 つの量子システムを使用して他の量子システムをシミュレートすることです。」とヒル氏は述べています。 10 個の量子ドットからなる量子ドットを使用し、いわゆる SSH モデルのシミュレーションに使用しました。これは注目に値するプロジェクトです。この実証に使用された量子デバイスは、サブナノメートルの精度で製造されました。この実験は、より大規模で複雑な将来のシミュレーションの準備を整えます。

この複雑な製造プロセスの利点は、「発明し、その方法を理解する必要がある新しい材料を作成する必要がないこと」だとシモンズ氏は考えています。作る。"

「私たちは原子サブナノメートルの精度を持っています。原子自体はシリコンマトリックス内にあるので、すでに使用されている材料からシステムを構築しています」と彼女は付け加えた。 ."

"デバイス全体には 2 種類の原子しかありません - リンとシリコンです。私たちは他のすべてのもの、すべての界面、誘電体を取り除きました。他のアーキテクチャで問題を引き起こすすべての要素が含まれています。概念としてはシンプルですが、作成するのは明らかに困難です。これは、素晴らしく、クリーンで、物理的で、スケーラブルなシステムです。」

「課題原子を適切な場所に置くと、そこにあることがわかります。リン原子をシリコン マトリックスに取り込み、それらを保護する化学プロセスを理解するのに 10 年かかりました。私たちが使用する (1 つの) 技術はスキャンです。トンネル顕微鏡 (STM)、フォトリソグラフィー ツール。"

シリコン プレートを真空中に置いた後、チームはまず基板を 1100°C に加熱し、次に約 350°C まで徐々に冷却しました。 ℃では、平坦な二次元シリコン表面が形成されます。その後、シリコンは水素原子で覆われ、STM チップを使用して選択的かつ個別に除去できます。リン原子は、全体がシリコンの別の層で覆われる前に、水素原子の層に新しく形成されたギャップに配置されます。

原子スケールでモデル化された SQC 量子デバイス

「これは、一度に 1 つのデバイスしか作成できないことを意味します「しかし、私はそれをスイスの時計のように考えています。時計は非常に正確であるため、手作りする必要があります。私が言いたいのは、スケーラブルなシステムを作るには、その程度の精度が必要だということです。そして、精度が十分ではありません。」とシモンズは認めます。量子状態を構築するのは難しいのは、自分が何を持っているかがわからないからです。ですから私たちの見解は、「確かに、速度は遅くなりますが、何が得られるかはわかっているはずです。」デバイスが構築されると、研究チームが選択したアルゴリズムは「歴史的重要性」を持つことになる。

「シミュレーション アルゴリズムは、1950 年代から始まったリチャード ファインマンの夢でした」とシモンズ氏は説明します。 「自然がどのように機能するかを理解したい場合は、その長さのスケールでそれを構築する必要があります。炭素分子の一重結合と二重結合をナノメートル以下の精度でモデル化することはできるでしょうか?実際、私たちは単一の原子を使用してシミュレーションするのではなく、 1 つの炭素原子、25 のリン原子が使用されました。」

チームは、リンクに沿った電子の流れを制御できることを発見しました。

「つまり、個別のローカル制御と拡張制御機能が備わっているということです」とシモンズ氏は言いました。 「私たちは、わずか 6 つの電極で 10 点のリンクを実装できることを示しました。つまり、実際の点の数よりも電極の数がはるかに少なくなります。これは、スケーリングに非常に役立ちます。量子コンピューターでは基本的に、 "

新しいデバイスは SSH 理論に準拠しているだけでなく、シモンズ氏は、量子コンピューターは、間もなく、現在の最適理論を超えた問題のシミュレーションが開始される予定です。 「これは私たちがこれまで想像したこともなかったものへの扉を開くもので、怖くもあり、刺激的でもあります」と彼女は語った。

このデバイスには、他の量子コンピューターと同様の欠点があります。特に、動作温度を絶対零度近くに保つために巨大な冷却システムが必要であり、これには多大なエネルギーとコストが必要です。 。

商業機密のため、最初のプレゼンテーションの後、シモンズ氏は SQC が取り組んでいたプロジェクトについて口を閉ざしました。それでも彼女は、「私たちはそれをできるだけ多くのさまざまなものに適用して、何が見つかるかを確認したいと思っています。」と述べました。 》

Nature 論文を支える SQC チーム

「鎖全体にわたって電子をコヒーレントに取得できるという事実は、これが非常に量子コヒーレントなシステムであることを示しています。これは、物理システムが非常に安定しているという自信を私たちに与えてくれます。これは純粋さの兆候です」と彼女は言いました。 「このシステムの証明は、さまざまな道筋につながる可能性があります。より大きな物理システムを作ることは間違いなくその 1 つです。電荷状態ではなくスピン状態を観察することは別の問題です。」

シモンズ氏は、学際的な性質を示す「旅」としての仕事 - 量子物理学者、化学者、エンジニア、ソフトウェアエンジニアがすべて関与しています。 「これは若者にとってエキサイティングな分野です」と彼女は言いました。 「これは、基礎科学研究プロジェクトが実用的なツールに進化した事例です。」

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