量子コンピュータで、過去を記憶できるエニオン(anyon)と呼ばれる粒子が生成され、量子コンピュータの改善に繋がる可能性が示された。
エニオンがユニークなのは、これまで自分がいた場所の記録のようなものを保持することだ。1970年代に初めて発見されたこの粒子は、2次元にのみ存在し、あたかも粒子のように振る舞う集団的振動を持つ準粒子だ。
他の粒子とは異なり、エニオンは入れ替えると根本的に変化し、入れ替えた回数が振動の仕方に影響する。非アーベル型エニオンと呼ばれる特定の種類のグループは、ロープの編組が交差した順番を記憶しているように、交換された順番を記憶するのだ。しかし、ロープの糸が物理的に相互作用するのに対し、エニオンは量子力学の不思議な現象である「量子もつれ（エンタングルメント）」によって相互作用し、粒子の性質が空間を介して表裏一体となっている。だが、これはこれまで実験的に発見された事はなかった。
今回、量子コンピュータ企業Quantinuum社のHenrik Dryer氏らは、それを実現したと述べている。研究者らは、磁場とレーザーを使って閉じ込めたイッテルビウムとバリウムのイオンを使って、量子コンピュータの基本構成要素である量子ビット（qubits）を作成する、「H2」と呼ばれる新しい量子プロセッサを開発したというのだ。
この量子ビットは、カゴメ格子と呼ばれる、日本の伝統的な編みかごによく見られる星が連なったパターンでエンタングルされ、エニオンで予測される量子力学的性質と同じものを与えることで実現した。
「これは、アベリアン以外のトポロジカル秩序と呼ばれるものの最初のケースになります」と、オックスフォード大学のSteven Simon氏はNew Scientist誌に語っている。
また、量子コンピュータを使えば、エニオンが持つエキゾチックな物質状態をより深く理解するために、エニオンを自在に操ることができるようになると、同氏は付け加えた。
しかし、一部の研究者は、Quantinuum社は実際には非アベリアン型エニオンを作り出していない、彼らは、同社は単にシミュレーションを行っただけだと主張している人もいる。
「彼らは自分たちの仕事にとても興奮しているし、興奮すべきなのはわかるが、それでもシミュレーションに過ぎない」と英国リーズ大学のJiannis Pachos氏は、New Scientist誌に批判的に語っている。
しかし、Dryer氏は、エニオンの準粒子的な性質から、シミュレーションは本物と同じであると主張している。
「これらのエニオンの反直観的な特性は、それらが本当に物理的ではなく、それらが何でできているかを気にしないことです」とNew ScientistのDryer氏は語った。
「彼らは、情報ともつれについてだけです。だから、その種のもつれを作ることができるどんなシステムでも、同じタイプのエニオンを作ることができます」。
論文
参考文献
- Quantinuum: For the First Time Ever, Quantinuum’s New H2 Quantum Computer Has Created Non-Abelian Topological Quantum Matter and Braided its Anyons
- via NewScientist: Weird particle that remembers its past discovered by quantum computer
研究の要旨
非アベリアン型トポロジカル秩序（TO）は、交換した順序を記憶できる準粒子など、驚くべき性質を持つ切望される物質状態である。このようなエニオン励起は、フォールトトレラントな量子コンピュータの構成要素として期待されています。しかし、非アベリアンTOとその励起は、アベリアンTOにおけるより単純な準粒子や欠陥とは異なり、広範囲な努力にもかかわらず、依然として捉えられないままでした。本研究では、非アベリアンTOを初めて明確に実現し、そのアニオン制御を実証する。Quantinuum社のH2トラップイオン量子プロセッサの適応回路を用いて、27量子ビットのカゴメ格子上にD4 TOの基底状態波動関数を作成し、サイトあたりの忠実度は98.4％を超えた。時空間におけるボロメアンの環に沿うようにアニオンが生成・移動することで、アニオン干渉計は本質的に非アベリアンな編組過程を検出することができます。さらに、非アベリオンをトーラスの周囲にトンネルさせると、22の基底状態すべてと、単一のアニオンを持つ励起状態が生成される。この成果は、非アベリオンの直感に反する性質を示すものであり、量子デバイスへの応用を可能にするものです。
