量子コンピュータの実現にはまだ何年もかかると予想されている。これは、量子コンピュータの仕組みそのものが、量子現象に基づく「量子ビット」を用いる、非常に困難なエンジニアリング課題に依存しているからであるが、これらの量子ビットはエラーが発生しやすく、制御が困難だ。
これは必ずしも量子コンピュータ自体の問題ではなく、量子ビットそのものの問題である。量子ビットが計算を実行するために相互作用する際、それ自体が劣化し、結果としてエラーが発生するのである。
オーストラリアのスウィンバーン工科大学とポーランドのヤギェウォスキー大学の研究者らは、新しい研究の中で、こうしたエラー問題を解決する方法として、「時間結晶」を一種の回路基板として使用することを提案している。彼らによれば、これにより、「すべての可能な量子ビットのペアに対する量子ゲート操作を可能にする」ことで、より信頼性の高いシステムを作ることができると言うのだ。彼らはこの新しいブレークスルーを説明するために「タイムトロニクス」という用語を提案している。
空間結晶で直面する制限を時間結晶で克服する
「これらのデバイスの要素は、3次元よりも高い次元の構造に対応し、任意の時点で任意に接続および再構成することができるる。我々の発見は、従来の空間結晶を使用してデバイスを構築する際に直面する制限を、時間の結晶構造を採用することで克服できることを示している」と、研究者らは論文の中で述べている。
時間結晶は、SFに出てくる想像上の物質の様にも聞こえるが、現実に存在する、量子状態の物質である。空間結晶が複雑で繰り返される原子格子を持つのに対し、時間結晶は周期的な運動パターンを含み、空間ではなく時間の繰り返しの格子を形成している。
New Scientistによると、この特定の構成が時間結晶を量子コンピュータの回路基板に最適な候補とする理由である。
量子コンピュータにおけるエラーは、量子ビットが計算を実行する際に相互作用することで発生する。こうした相互作用により、量子ビットの量子状態や保持している情報が劣化する。この新しい試みでは、研究チームは量子ビットの相互作用が劣化を引き起こさないように協力させるアイデアを開発した。
チームが提案するアイデアは、時間的回路基板を作成するというものである。これは、通常の結晶で見られるような形の繰り返しパターンで移動する超低温原子を使用して作られ、研究者が「時間結晶」と呼ぶものを形成する。
このシナリオでは、量子ビットが量子コンピュータ内で広がり続け、常に動いているため、他の量子ビットと交差して相互作用する際に劣化を引き起こさないようにできると提案している。このような設計により、現在の設計では不可能な遠距離の量子ビット間の相互作用も可能になり、より複雑な処理オプションが可能になると述べている。
「我々は、時間的プリント回路基板が量子ビットをホストできることを実証し、すべての単一量子ビット操作が実現可能であり、すべての可能な量子ビットのペア間で制御-Zゲートを実行でき、普遍的な量子コンピュータの条件を満たすことができる」と、研究者らは述べている。
今後、研究チームは、カリウム-39のボース・アインシュタイン凝縮を使用して時間結晶を作成することに焦点を当てている。これは、科学者が原子間の相互作用を正確に調整できる能力のために選ばれたものである。これがうまくいけば、このブレークスルーは一夜にして量子コンピューティングを革命的に変えるわけではないが、最も「決定的な課題」とされている問題を解決するために、この分野を一歩近づけることになるだろう。
論文
参考文献
- New Scientist: Time crystals may make quantum computers more reliable
研究の要旨
時間結晶構造は、周期的に駆動される系で作成することができる。それは時間格子であり、アンダーソン局在の時間版から、多体局在やトポロジカル絶縁体の時間アナログまで、さまざまな凝縮系物質の振る舞いを明らかにすることができる。しかし、時間結晶構造の実用的な応用の可能性はまだ探求されていない。ここでは、時間格子をプリント基板のようにして幅広い量子デバイスを実現する「タイムトロニクス」の道を開く。これらのデバイスの要素は、3次元よりも高い次元の構造に対応することができ、任意の瞬間に任意に接続および再構成することができる。さらに、我々のアプローチにより、量子ビットのすべてのペアに対する量子ゲート操作を可能にする量子コンピュータの構築が可能となる。我々の発見は、従来の空間結晶を用いたデバイスの構築で直面する制限を、時間的な結晶構造を採用することで克服できることを示している。
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