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史上初、時間結晶を用いて量子コンピュータを制御し安定性を高める事に成功

中国科学院大学の研究チームが、量子コンピューター内の量子状態の安定性を高めるために、新しい物質状態である離散時間結晶を利用した。研究者らによると、これは時間結晶の最初の実用的な例であると述べている。

このアプローチは、従来のコンピューティングにおけるビットに相当する量子ビットの大規模なもつれを表す複雑な量子状態である、壊れやすいグリーンバーガー=ホーン=ツァイリンガー(GHZ)状態を安定化させることに主眼を置いている。

ノーベル賞受賞者のFrank Wilczekは、2012年に時間結晶の概念を初めて理論化した。彼が提唱した時間結晶は、エネルギーを入力することなく2つの配置の間で永久に振動することから論争を巻き起こした。言い換えれば、物理法則に反しているように見えるが、時間結晶は、エネルギーを必要とせずに、規則的なパターンで2つの状態の間を永遠に変化し続けることができる。これは、巻き上げる必要もなく時を刻み続ける時計のようなものである。

当初は懐疑的だったものの、いくつかの研究グループが、量子コンピューター内を含む実験室内で時間結晶の作成に成功している。時間結晶は、原子が3次元空間に配列して従来の結晶を形成するのと同様に、時間とともに振動する独特のパターンを示す。

この実験では、研究者たちは、抵抗なしに電気を通すことができる小さな回路から作られた量子ビットで構成される量子コンピューター内のGHZ状態を保護するための制御メカニズムとして、離散時間結晶を利用した。これらの量子ビットは、シュレーディンガーの猫の思考実験に類似した量子重ね合わせ状態で存在することができ、その状態が観測されるまで、猫は生きていると同時に死んでいる。

New Scientist誌は、この量子ビットを量子コンピュータのコントロール・ノブのようなものだと説明している。

GHZ状態は、量子物理学の限界を押し広げ、量子コンピューターや量子通信技術を向上させるために極めて重要である。しかし、量子ビットの数が増えるにつれて不安定になり、過去の実験では、些細な擾乱の中でそのユニークな特性を維持することの難しさが実証されている。研究チームは、離散時間結晶を用いることで、GHZ状態を保護する “隠れ家”を構築することができたという。これにより、以前は最大60個の量子ビットを含む不安定な状態であったのに対し、36個の量子ビットからなる安定した構成を実現した。

また、マイクロ波パルスを量子ビットに印加することで、量子特性が振動し、時間結晶を形成するだけでなく、通常GHZ状態を乱すような妨害も最小限に抑えることができたとのことだ。中国科学院大学カブリ理論科学研究所のBiao Huang氏によれば、これは離散時間結晶の最初の実用的な使用となる可能性があるという。

「我々は、離散時間結晶の構造を利用して、壊れやすいGHZ状態を保護するための “隠れ家”を構築したのです。我々が知る限り、これは離散時間結晶の最初の実用化です。我々の研究は、時間結晶が概念的に興味深いだけでなく、実用的な価値があることを人々に伝えています」とHuang氏はNew Scientist誌に語っている。

ハーバード大学のFrancisco Machado氏やドイツのMax Planck Institute for the Science of LightのMario Krenn氏を含むこの分野の専門家は、この実験が印象的な技術的達成と量子コンピューティング技術の進歩への貢献を示しているとNew Scientist誌に語っている。この研究は、複雑な量子状態を安定化させることが可能であることを示しただけでなく、時間結晶やその他の量子現象を実用的なアプリケーションに採用するための新たな道を開く画期的な物である。


論文

参考文献

研究の要旨

グリーンバーガー=ホーン=ツァイリンガー(GHZ)状態は、最大にもつれたシュレーディンガー・キャット状態として、量子物理学と量子テクノロジーの基礎において重要な役割を担っているが、この脆弱な状態を作り出し、保存することは、とてつもない困難を伴う。離散時間結晶(DTC)は、もともとエキゾチックな非平衡量子物質の探索を目的としており、科学的に大きな関心を集めているが、この素晴らしいコンセプトが真の応用につながるかどうかはまだ不明である。ここでは、2次元量子プロセッサーに適した効率的なプロトコルを提案し、高忠実度の量子ゲートシーケンスを用いることで、最大60個の超伝導量子ビットを用いて、本物のGHZエンタングルメントを中間スケールで実現する。さらに重要なことは、量子多体スカーとして対になる猫の固有状態を決定論的に設計することで、DTCに新たな視点を取り入れたことである。このスカーは、GHZ状態を一般的な摂動から保護し、状態進化の過程で動的なスイッチングを可能にする。この結果は、DTCの直接的な応用を明らかにするだけでなく、もろいけれども興味深い量子もつれを保護し、制御するための汎用的なプラットフォームとして、平衡から遠く離れた多体系を工学的に構築するものである。

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