コーネル大学の専門家が量子の実用化を構想

現実は、少なくとも私たちが知っている限りでは、非常に奥深いものです。 分子や原子のレベルに至るまで、あらゆる物体を注意深く観察すると、世界は独自のルールに従って動き始めます。 これは量子物理学の領域です。エネルギーの波と粒子が同じであり、テレポートのような奇妙な現象が標準です。これらの謎めいた特性は、革新的な新しいコンピューターや電子部品の鍵となる可能性があります。 量子デバイスは、従来のコンピュータや集積回路のようにシリコン トランジスタを使用する代わりに、情報をルーティングおよび処理する手段として亜原子粒子に依存しており、現在想像できる他の電子ハードウェアよりも高速かつ強力になっています。 コーネル大学電気コンピュータ工学部の 3 人の新しい教員が、量子デバイスを実用的かつスケーラブルにすることに取り組んでいます。 カラン・メータ助教授は、モハメド・イブラヒム助教授、マーク・ワイルド准教授とともに、応用物理学をはるかに超えた研究を行っており、回路設計、フォトニクス、システムアーキテクチャ、情報理論、その他の分野の要素を組み込んで量子コンピューターを実現しています。 .トラップイオンたとえば、Mehta は量子コンピューターの基本的な構成要素、つまり「トラップイオン量子ビット」と呼ばれる特殊なコンポーネントを研究しています。 それは本質的に、電場によって真空中に浮遊され、レーザーによって制御される単一の原子です。 これらのレーザーを使用して原子のスピンと電荷を操作することで、単純なアルゴリズムを実行するように原子を「プログラム」することが可能ですが、他の電子部品と同様に、これらの量子ビットにも長所と短所があるとメータ氏は指摘します。 利点の 1 つは、各イオンが空間に浮遊し、他の原子から隔離されているため、干渉やノイズにほとんどさらされないことです。 しかし、これらの量子ビットの制御は複雑であり、システムがますます大きくなるにつれて、他のノイズ源がシステムに入り込み、システムがスムーズに動作できなくなる可能性があります。 このノイズを除去することは、有用な量子コンピューターを構築する上で重要な部分であり、これには数千、さらには数百万の量子ビットが必要になります。」システム内に多数のイオン量子ビットがある場合、自由に動き回る何百万ものレーザービームでそれらを制御する必要があります。宇宙は非常に難しくなります」とメータは言う。 「システムに量子ビットを追加するたびに、制御装置の複雑さにより、より多くの潜在的なエラーやノイズが発生します。」 量子コンピューティングでは、そのノイズがマシンの出力をスクランブルする可能性があります。 微細な振動、熱、またはトラップされたイオンをランダムに乱すその他のものが現れると、量子ビットは重ね合わせと呼ばれる重要な特性を失います。重ね合わせとは、電子が一度に複数の状態で存在し、プログラマーが問題の異なる反復を同時に実行できるようにする現象です。 ただし、ノイズが存在すると、その重ね合わせが早期に崩壊し、計算にエラーが発生します。メータ氏は、固体デバイスを使用して各量子ビットの状態を操作および感知することで、この制限を回避しようとしています。 同氏は、光ファイバーに基づいて量子ビットに送られ、チップベースの制御デバイスに収集される光パルスを使用することが、クリーンで低ノイズの量子システムの鍵となる可能性があると考えている。 このようなシステムは大規模なシステムを可能にし、過剰なノイズも大幅に削減して量子ビットをより安定させる可能性があります。 「工学的な観点から見ると、それは部屋の中の象に対処することができます。これは、これらの本来の量子システムを制御するという課題です」と彼は言います。 「そのアイデアは、スケーラブルなハードウェアとともに、極めてクリーンで低ノイズの量子システムの基本的な利点を活用することです。」チップ上の量子システム イブラヒム氏は、その評価に賛同しています。 彼は、今日の高度で極小の集積回路 (IC) を利用して、研究室でスケーラブルなチップスケール量子システムに取り組んでいます。イブラヒムは、特殊な形状のダイヤモンド結晶を使用した統合量子センサーを開発しています。 これらのダイヤモンドには、純粋な炭素の代わりに窒素原子がシードされています。 空いたサイトと組み合わせると、各窒素原子は独自の新しい特性を持つ窒素空孔 (NV) 中心を導入します。これらの結晶をマイクロ波エネルギーと緑色の光パルスの上昇掃引にさらすことにより、結晶は蛍光赤色に輝き始めると彼は言います。 NV センターの電子のスピン状態に応じて強度が変化し、蛍光強度の低下が発生する正確な周波数を記録することで、イブラヒム氏は温度を追跡し、センサーの周囲にある磁界と電界の強度を測定できます。これはよく知られた特性であり、イブラヒム氏は、オンチップのマイクロ波無線源や赤色光検出回路など、関連するすべての要素を単一のチップスケールの小型デバイスに統合することに取り組んでいます。 これらは、ダイヤモンド結晶格子と緑色レーザーエミッターとともにパッケージ化されています。このような集積回路は、地球規模のナビゲーションから心臓や脳の生体電気信号の感知まで、あらゆる種類の異なる用途に応用できる可能性があるとイブラヒム氏は言いますが、イブラヒム氏はまた、 「量子ビットは、極低温の冷蔵庫に保管する必要があります。超低温環境と、それを制御する古典的なコンピューターとの間で信号を送信するには、量子コンピューター用の統合コントローラーの構築に長年の問題を解決できる可能性があります。」量子ビットについては、現在ケーブルを使用しているため、拡張性が数千量子ビットに制限されています」と彼は言います。 数ケルビンで動作する極低温ICを仲介として使用することで、より効率的により多くの量子ビットに拡張できるマルチ量子ビットコントローラーを構築できる可能性があります。」 しかし、依然として中間の低温で通信する必要があります。現在は、導電性同軸ケーブルを使用して行われています。これらのケーブルは熱伝導性でもあるため、実際にはケーブルに沿って数ミリワット程度のエネルギーが失われる可能性があります。」と彼は言います。イブラヒムは、いずれかの無線通信を使用してこの問題を解決できる効率的なトランシーバーの開発に取り組んでいます。または光ファイバーなどの熱伝導率が非常に低いケーブル。 IC を利用して量子ビットのインターフェイスや直接制御を行う新しいアーキテクチャを開発すると、量子ビットの数を増やすことが可能になり、大規模な量子コンピュータの時代が到来します。ワイルド氏が積極的に研究している分野である、それを使用する最も効果的な方法を見つけなければ、それほど大きな成果は得られません。 電気・コンピュータ工学部の同僚たちがこれらのデバイスを実現するための新しいハードウェアとソフトウェアを開発している一方で、ワイルド氏は量子情報理論、つまりデバイス内で情報を処理するために使用される複雑なアルゴリズムに注目を集めています。当然のことながら、彼は量子情報理論に注目しています。量子コンピューターは古典的なシリコンデバイスよりもはるかに単純ではない、と彼は言います。 それぞれ 0 と 1 の値を取る 2 つのビットを備えた古典的なコンピューターは、それらの数値の 4 つの異なる組み合わせ (00、01、10、11) を生成できますが、一度に計算できるのは 1 つだけです。 一方、量子コンピューターは、考えられる 4 つの答えすべてを一度に探索できるため、その結果、まったく新しいプログラミング方法が必要になります。」 量子アルゴリズムを考案する際の賢さは、答えの悪い可能性を取り除くことです。 ; 木の剪定のようにそれらを計算から除外し、最終的に測定するときに正しい解につながるパスを増幅するためです」とワイルド氏は言います。量子システム内のノイズは剪定プロセス中にエラーを引き起こすため、ワイルド氏は次のように述べています。これらのインスタンスを修正し、ノイズの多いグリッチによってコンピューターの出力が歪められないようにする方法を検討中です。 同氏によると、技術の 1 つは、量子アルゴリズムを可能な限り効率的にすることで、実行にかかる時間を短縮し、計算中に量子ビットがノイズによって破損する可能性を制限することです。量子アルゴリズムなど、ワイルドの研究は実用的な解決策に完全に焦点を当てているわけではありません。 彼はまた、より哲学的な観点からパズルに答えようとしている。「コミュニケーションの究極の限界を理解したいのです」と彼は言う。 「あらゆる通信タスクにおいて、どちらかの側で何らかの計算を行う必要があり、また、あらゆる計算タスクにおいて、コンピュータ内の量子ビット間で通信する必要があるため、計算と通信は必然的に絡み合います。そしてそれらを決して切り離すことはできません。」 それを念頭に置いて、彼は、それらのプロセスの物理的な限界は何だろうと尋ねました。 そして、それらをどこまで押し進めることができるでしょうか?これらの質問は、単なる抽象的な思考実験ではありません。 これらは、ワイルドと彼の同僚が現在行っている仕事の基礎です。 やがて、彼らの研究室から生まれる学際的な研究は、コンピューティングと電気工学全体に革命をもたらし、量子物理学に基づいた無限の新たな可能性を開くかもしれません。