ノーベル賞受賞者、世界で最も強力な量子コンピューターを構築すると語る

John Martinis はハードウェアの専門家です。彼は、教科書の理想化された世界よりも、実験室で物理学を勉強するニュアンスを好みます。しかし、彼なしでは量子コンピューティングの歴史の本を書くことはできません。彼はこの分野の 2 つの最も重要な瞬間の中心にいました。そして彼は次の作品を追いかけるために一生懸命働いています。

それは 1980 年代に始まり、マルティニスらは量子効果について既知のことを調査するために一連の実験を実施しました。この研究により、彼らは昨年ノーベル賞を受賞しました。彼がカリフォルニア大学バークレー校の大学院生だったとき、私たちは素粒子が量子効果の影響を受けることを知っていましたが、問題は量子力学の世界がより大きなスケールに拡張できるかどうかでした。

Martinis と彼の同僚は、超伝導体と絶縁体の混合物で作られた回路を構築して研究したところ、回路内の複数の荷電粒子があたかも単一の量子粒子であるかのように動作することが発見されました。これは巨視的な量子性であり、現在 IBM や Google によってサポートされているものを含む、今日最も強力な量子コンピューターの構築の基礎を築きました。実際、マルティニスの研究は、今日世界で最も広く使用されている量子ビット、つまり超伝導回路から作られた量子ビット、つまり量子ビットを使用する巨大テクノロジー企業のトレンドを引き起こしました。

マルティニス氏がこの分野に2度目の衝撃を与えたのは、初めて「量子超越性」を達成した量子コンピューターを構築したGoogleの研究者チームを率いていたときだった。 5 年近くの間、量子かどうかに関係なく、ランダム量子回路の出力を検証できる世界で唯一のコンピューターでした。その後、古典的なコンピューターによって改良されました。

70歳に近づいた現在、マルティニスは超伝導量子ビットを使えばまた歴史的な勝利を収めることができると考えている。 2024 年に、彼は量子コンピューティング会社 QoLab を共同設立しました。QoLab は、この分野の誰もが追い求めているもの、つまり真に実用的な量子コンピューターの作成に根本的に新しいアプローチを採用すると述べています。

カーメラ・パダヴィク＝キャラハン: あなたはキャリアの初期に、オリジナルの仕事をして話題を呼びましたね。自分の実験が新しいテクノロジーにつながる可能性があると理解し始めたのはいつですか?

John Martinis: 巨視的な変数が量子力学から逃れられるかどうかという質問がありましたが、若くて量子力学を学んでいた私にとって、それはテストする必要があるもののように思えました。おそらく、あなたがもっと年上の人だったら、量子力学が機能すると単純に思っていたでしょう。しかし、若い学生にとって、それは量子力学の基礎をテストする素晴らしい実験のように思えました。

私たちが最初にやったことは、当時のテクノロジーを使用して、非常に大まかで迅速な実験をセットアップすることでした。データを取得したとき、実験は完全に失敗でした。でもすぐに失敗できたので問題ありませんでした。結局のところ、それはマイクロ波工学を理解する必要がある実験でした。ノイズを理解する必要があり、多くの技術的なことを行う必要がありますが、 [success] その後はとても早く起こりました。

その後最初の 10 年間、私たちはこれらの実験を行い、量子デバイスを構築していました。その後、量子コンピューティングの理論はさらに進化しました。特にショールのアルゴリズムと言えます。 [which factors large numbers for breaking cryptography]それからエラー修正 [algorithms] その後すぐに。これにより、この地域に強力な基盤が築かれました。人々は今、何かを構築することを想像できるようになりました。そのおかげでお金が使えるようになりました。

資金提供は研究を、そして最終的にはテクノロジーをどのように変えたのでしょうか?

1980 年代から状況は大きく変わりました。当時、人々は単一の量子システムを正確に操作して測定できるかどうかさえテストしていませんでした。過去 40 年間に何が起こったのかは興味深いです。量子コンピューティングは巨大な分野になりました。これらすべてについて最も誇りに思うことは、現在非常に多くの物理学者がこれらの超伝導システムの量子力学を理解し、量子コンピューターを構築しようと取り組んでいることです。

あなたは量子コンピューティングの初期に携わっていました。これは、このセクターが現在どこに向かっているのかを理解するのにどのように役立ちますか?

ずっとこの分野に関わってきたので、私は物理学の基本原理を理解しています。初めてマイクロ波電子機器を作りました [quantum devices] カリフォルニア大学サンタバーバラ校のグループで、その後 Google で独自のクライオスタットを作りました [devices that keep superconducting quantum computers chilled to the extremely cold temperatures they need to operate]。私はあらゆる要素の作成に携わりました。多くの人は、これらすべてを経験していなければ、私たちは前進し続けるだろうと楽観的に考えると思います。私はすべての問題がどこにあるのか知っています。非常に複雑なコンピューティング システムを構築したい場合、それはすべてシステム エンジニアリングです。この分野での私の利点の 1 つは、すべての基本的な物理学をよく理解していることだと思います。

量子コンピューターを有用かつ実用的なものにするためには、量子コンピューティングのハードウェアはどのように変化する必要があると思いますか?次の躍進の始まりとして、どのような変化に賭けていますか?

Google を辞めた後、私は量子コンピューターをシステム全体として考え、正確に何を構築し、改善する必要があるのか​​という基本原則をすべて再考しました。 QoLab はこれに基づいており、量子ビットの構築方法を劇的に変えます。 [in terms of manufacturing techniques] そして、全体、特に配線をどのように組み立てましたか。

私たちは、テクノロジーの信頼性を高めてコストを削減するには、量子コンピューターの構築についてまったく異なる考え方をする必要があることに気づきました。人々が理解するのはますます困難になっています。私たちは驚くほど多くの反対と懐疑に直面してきましたが、数十年間物理学を研究してきた私の経験から言えば、それは私たちが良いアイデアを持っていることを意味します。

本当に役に立つ、エラーのない量子コンピューターを構築するには、数百万単位という非常に多くの量子ビットが必要になるという話を時々聞きます。どうやってそこに行きますか？

私たちが注目している最大の混乱は製造業、特に量子チップの製造業であり、これが最も困難な部分でもあります。 Google、IBM、Amazon、その他多くの企業が行っていることを見てみると、私にはわかりませんが、1950 年代か 60 年代のような製造技術が使用されています。わからない [any other industry that] 現在では、これらの方法を使用して実際の回路を構築しています。したがって、100 万量子ビットを作成して信頼性を高めたい場合は、別のことをした方がよいのではないかというのが私たちの考えです。

私たちは、これらのデバイスの製造方法を根本的に変えることができることに非常に興奮しています。そして、私たちはすべてのワイヤを取り除くのに役立つチップのアーキテクチャを持っています。写真を見てみると [superconducting] 量子コンピューターは、ワイヤーとマイクロ波コンポーネントの単なるジャングルです。これらすべてを 1 つのチップに収めて、拡張できるようにしたいと考えています。超伝導量子ビットにおける大きな問題は配線問題であり、私たちはその解決に取り組んでいます。

5 年以内に実用的な量子コンピューターの競争で明確な勝者が現れると思いますか?

人々が量子コンピューターを構築しようとしているさまざまな方法があり、システム エンジニアリングの制約が非常に難しいことを考えると、さまざまな方法でこの問題に取り組むのは良いことだと思います。さまざまなアイデアに資金が提供されるのは良いことだと思います。なぜなら、人々が成功する可能性が高まるからです。しかし、それらの制約について考えてみると、それらの制約はたくさんありますが、一般的に多くのプロジェクトは、コストの管理やデバイスの大量生産など、プロジェクトを実行するために実際に必要なことによって制限されていると言えます。一方で、多くの研究チームは、公には話していない設計上の問題に取り組むためのアイデアを持っていると思います。

そして、QoLab のビジネス プランは、すべての専門知識が必要であると考えているためコラボレーションを受け入れているという点で、少し異なっており、おそらくユニークですらあると思います。私たちは、拡張方法と洗練された製造方法を熟知しているハードウェア企業と協力しています。

明日、誰かがあなたに非常に大型でエラーのない量子コンピューターをくれたら、最初に何を試しますか?

私は量子コンピューターを使用して量子化学や量子材料の問題を解決することに非常に興味があります。これを使用して役立つ最近のドキュメントがいくつかあります [extract more useful information from] 化学における核磁気共鳴 (NMR) 実験は、入門アプリケーションとして非常に気に入っています。量子力学の根本的な難しさのため、この量子問題は古典的なスーパーコンピューターで解決するのが困難です。しかし、もちろん、これは量子コンピューターを使用すると根本的に解決されます。量子問題を量子コンピューターにマッピングするだけです。私は構築方法について固定観念を持つのが好きなため、それに興奮することができます。 [a device] そして人々はこれを行うための特定のアルゴリズムを開発しました [applications like enhancing NMR]。

最適化問題や量子人工知能と関係があるものと考える人も多いだろう。私にとって、それは「試して、うまくいくかどうかを確認する」ようなものです。材料応用と化学応用の背後にある原理は、はるかに明確です。私たちはどれだけ大きいかを知っています [quantum computer] そうでなければなりません。このマシンはサイズと実行速度の両方の点で構築できるものだと思います。

量子コンピューターの潜在的な用途のいくつかは、30 年以上前に数学的に決定されました。なぜそれらはまだ現実になっていないのでしょうか？

量子ビットの動作を抽象化して、量子コンピューターの構築方法を想像することができます。これは素晴らしいことです。そうすれば、コンピューター科学者、数学者、理論家にそれについて考えてもらうことができるからです。しかし、ここでの本当の問題は、実際の量子ビットにはノイズ源が含まれていることです。 [such as heat from external wires, or impurities in the qubit’s own material]そして物質的な問題です。理論家によって大規模な量子コンピューティングの取り組みが数多く進められており、それは問題ありませんが、適切に動作するハードウェアを構築するために必要なことと同様に、実際のシステムははるかに複雑です。

で [my graduate advisor] ジョン・クラークのグループで、騒音を理解するためのトレーニングを受けました。このような背景は、私と私が一緒に働いた人々にとって非常に有益でした。なぜなら、私たちは量子ビットを物理的な方法で考え、チップの信頼性を低くする物理的なノイズ メカニズムを取り除こうとしていたからです。これが量子超越性実験で起こったことです。 [some of the noise comes from the fact that] デバイスにはこれらの「2 レベルの状態」があり、それらを回避するためにデバイスを操作します。機能させることはできますが、非常に面倒な作業であり、拡張するのが難しくなります。私たちがそう願っています 1771786180 その効果を取り除くか、軽減してください。これを理解するには、量子ビット設計の詳細に入る必要があります。

問題は、ハードウェアとアプリケーションのアイデアの両方が必要であるということですが、ハードウェアを全体的により良くする必要があると思います。それで、それが私が焦点を当てていることです。