科学者たちは量子コンピューターが音波に基づいてどのように構築できるかを示した

奇妙で素晴らしい一連のテクノロジーが、量子コンピューティングの旗手となるために競い合っています。 最新の開発者は、量子情報を音波でエンコードしたいと考えています。

すべての量子コンピューターに共通していることの 1 つは、量子状態でエンコードされた情報を操作するという事実です。 しかし、類似点はそこまでです。なぜなら、これらの量子状態は、超伝導回路から、トラップされたイオン、超冷却原子、光子、さらにはシリコンチップに至るまで、あらゆるものに誘発される可能性があるからです。

これらのアプローチの中には、他のアプローチよりも多くの投資を集めているものもありますが、業界が共通のプラットフォームに落ち着くまでにはまだ長い道のりです。 そして学術研究の世界では、今でも実験が盛んに行われています。

今回、シカゴ大学のチームは、光子が光線を構成するのとほぼ同じように音波を構成する基本的な量子単位であるフォノンに情報をエンコードできる量子コンピューターの構築に向けた重要な第一歩を踏み出した。

「フォノニック」量子コンピューターを作成する方法の基本原理は、「フォトニック」量子コンピューターで使用されるものとかなり似ています。 どちらも、個々の粒子または準粒子の生成と検出、およびビームスプリッターと位相シフターを使用したそれらの操作を伴います。 フォノンは準粒子です。量子力学に関する限りフォノンは粒子のように機能しますが、実際には多数の原子の集合的な動作で構成されています。

シカゴのグループは、人間が聞くことができる周波数の約100万倍高い周波数で材料の表面に沿って伝わる表面弾性波を使用して個々のフォノンを生成し、それらを使用して2つの超伝導量子ビット間で量子情報を転送できることをすでに実証していた。 。

しかし、Science誌に掲載された新しい論文で、研究者らは、その名前が示すように、音波を分割するように設計された初のフォノニック・ビームスプリッターを実証している。 このコンポーネントは、重ね合わせ、もつれ、干渉などの量子現象を利用できるようにするため、フォノニック量子コンピューターにとって重要な要素です。

彼らのセットアップには、サファイアの平らな部分上に製造された 2 つの超伝導量子ビットが含まれており、ニオブ酸リチウムで作られたチャネルによって結合されています。 各量子ビットは、調整可能な結合器を介して、電気信号を機械信号に変換するトランスデューサーと呼ばれるデバイスに接続されます。

これは、量子ビットを接続するチャネル内に個々のフォノンを作成する振動を生成するために使用され、中央に 16 本の平行な金属フィンガーで作られたビームスプリッターを備えています。 セットアップ全体が絶対零度より少し上まで冷却されます。

システムの機能を実証するために、研究者らはまず量子ビットの 1 つを励起して単一フォノンを生成させました。 これはチャネルに沿ってビームスプリッターに伝わりましたが、フォノンのような量子粒子は基本的に分割できないため、分割される代わりに量子重ね合わせになりました。

これは、量子システムが、測定されて可能性の 1 つに崩壊するまで、同時に複数の状態になれる能力を指します。 この場合、フォノンは元の量子ビットに反射して戻され、2 番目の量子ビットに送信され、フォノンを捕捉して量子重ね合わせを保存することができました。

2番目の実験では、研究者らは、Hong-Ou-Mandel効果と呼ばれる、フォトニック量子コンピュータで論理ゲートを作成する方法の基本となる量子現象を再現することに成功した。 光学セットアップでは、これには、2 つの同一の光子が反対方向から同時にビームスプリッターに供給されることが含まれます。 その後、両方が重ね合わせに入りますが、これらの出力がそれぞれに干渉し、両方の光子が一緒に検出器の 1 つだけに到達することになります。

研究者らは、フォノンを使用してこの効果を再現できること、そして重要なことに、量子ビットを使用してフォノンの特性を変更し、出力がどの方向に進むかを制御できることを示しました。これは実用的な量子を構築するための重要な第一歩です。この研究を主導したアンドリュー・クレランド氏は、「コンピュータはそうである」と述べています。

「2フォノン干渉実験の成功は、フォノンが光子と同等であることを示す最後の部分である」とクレランド氏はプレスリリースで述べた。 「この結果は、線形機械式量子コンピューターを構築するために必要な技術を我々が持っていることを裏付けています。」

研究者らは、コンポーネントがはるかに大きく低速であるため、このアプローチが量子コンピューティングへの光学的アプローチと直接競合する可能性は低いことを認めています。 ただし、超伝導量子ビットとシームレスに接続できる能力により、両方の長所を組み合わせたハイブリッド コンピューティング スキームとして有望になる可能性があります。

基盤となるコンポーネントが他の量子アプローチのような洗練さと業界対応に達するまでには、長い時間がかかると思われます。 しかし、量子的優位性をめぐる競争は、もう少し混み合ってきたようだ。

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