量子双子は複雑な物理問題を解決できるでしょうか?

量子コンピューターは徐々に実用化に向けて進んでいますが、一部は別のアプローチ、つまりアナログ量子シミュレーションを採用しています。このパスは、量子ビットとして知られる量子情報の単一ビットを完全に制御することはできません。これは汎用量子コンピューターではありません。代わりに、量子シミュレーターは、個々の分子、化学反応、新しい材料など、複雑でアクセスが難しいものを直接シミュレートします。アナログ量子シミュレーションには柔軟性が欠けていますが、実現可能性においてはそれを補っています。量子シミュレータはすでに準備が整っています。

「量子コンピューターで通常行うように量子ビットを使用する代わりに、問題をアレイの形状と構造に直接エンコードします」と、シドニーを拠点とする新興企業シリコン クォンタム コンピューティングの量子システム エンジニアリング責任者であるサム ゴーマン氏は述べています。

昨日、シリコン量子コンピューティングは、シリコン量子シミュレーターであるQuantum Twins製品を発表し、顧客は直接契約を通じて利用できるようになりました。さらに、チームは、15,000 個の量子ドットで作られたデバイスが、頻繁に研究されている絶縁体から金属への材料の転移とその間のすべての状態をシミュレートできることを実証しました。彼は今週雑誌に自分の作品を発表しました 自然。

「今では、世界中の誰もできないと思われることが、私たちにできるようになりました」とゴーマン氏は言います。

強力なプロセス

この製品は昨日発表されましたが、シリコン量子コンピューティングのチームは、2017 年のスタートアップ設立後、同社の創設者ミシェル・シモンズによる 25 年以上の学術研究に基づいて、高精度 Atom Qubit 製造プロセスを確立しました。基礎となる技術は、シリコン内に単一のリン原子をサブナノメートルの精度で配置する製造プロセスです。

「シリコンにリン原子をパターン化するための 38 段階のプロセスがあります」とシモンズ氏は言います。このプロセスは、水素の層でコーティングされるシリコン基板から始まります。次に、走査型トンネル顕微鏡を通して、個々の水素原子が表面から除去され、その下のシリコンが露出します。次に、ホスフィンガスが表面に追加され、シリコンが露出している表面のスポットのみが吸着されます。低温熱アニールにより、リン原子がシリコン結晶に取り込まれます。次に、その上にシリコンの層が成長します。

「超高真空で行われるので、非常に純粋で非常にクリーンなシステムです」とシモンズ氏は言います。 「これは、私たちがサブナノメートルの精度で作った完全なモノリシックチップです。2014年に、私たちはチップ内にマーカーを作成する方法を発見しました。そうすれば、戻ってきて、デバイス内の原子を配置した場所をトレースして、コンタクトを作成できるようになります。その後、それらのコンタクトは、原子や点と同じ長さのスケールで作成されます。」

研究チームはリンの単一原子を配置することができるが、これらのアプリケーション固有のチップには、レジスターとして知られる 10 ～ 50 個のそのような原子のグループを使用している。これらのレジスタは量子ドットのように機能し、個々の原子の量子特性を保存します。レジスタはチップ上に配置された接点からのゲート電圧によって制御され、レジスタ間の距離を正確に制御することでレジスタ間の相互作用を調整できます。

同社は、この技術を使用したより伝統的な量子コンピューティングも追求していますが、単一チップ上に数千のレジスタを配置し、個々の量子ビットを制御することなくグローバルな特性を測定することで、アナログ領域で有用なシミュレーションを実行できる能力をすでに持っていることに気づきました。

「非常にユニークなのは、それを非常に迅速に実行できることです」とシモンズ氏は言います。 「このうち 250,000 件が登録されています [on a chip] 8 時間あれば、1 週間以内にチップ設計を完成させることができます。」

何を模倣するか

2022 年、シリコン量子コンピューティング チームは、同じ技術の以前のバージョンを使用して、ポリアセチレンの分子をシミュレートしました。この化学物質は単結合と二重結合が交互に並んだ炭素原子で構成されており、重要なことに、その導電性は鎖が単結合で切断されるか二重結合で切断されるかによって決まります。一重炭素結合と二重炭素結合を正確にシミュレートするには、チームはリグレッサーの距離をサブナノメートルの精度で制御する必要がありました。研究者らは、各量子ドットのゲート電圧を調整することで、導電率のジャンプを再現した。

今回、彼らはさらに大きな問題、つまり二次元材料の金属絶縁体転移に関して量子双生技術を実証した。ポリアセチレン分子には 10 個のレジスタが必要でしたが、新しいモデルでは 15,000 個のレジスタが使用されました。金属絶縁体モデルは、ほとんどの場合、古典的なコンピューターではシミュレートできないため、重要です。極端な場合、つまり完全に金属の段階、または完全に絶縁の段階では、物理学を単純化し、古典的なコンピューティングにアクセスできるようにすることができます。しかし、ファジー中間領域では、各電子の完全な量子複雑さが影響し、この問題は古典的に困難です。 「これは古典的なコンピューティングにとって難しい部分です。しかし、実際にはシステムをこの配置に非常に簡単に組み込むことができます」とゴーマン氏は言います。

金属絶縁体モデルは概念実証でした。ゴーマン氏は、現在、チームはほぼすべての 2 次元問題に対して量子双子を設計できると述べています。

「デバイスが予測どおりに動作していることが実証できたので、影響の大きい問題や未解決の問題を検討しています」とゴーマン氏は言います。研究チームは、型破りな超電導、磁性の起源、電池内で発生する物質界面などを調査する予定だ。

最初の応用はおそらく科学分野になるだろうが、シモンズ氏は量子双子が最終的には創薬などの産業応用に役立つことを期待している。 「さまざまな薬物を見てみると、それらはポリアセチレンによく似ています。それらは炭素鎖であり、官能基を持っています。したがって、それをマッピングする方法を理解することは重要です。 [onto our simulator] それはユニークな挑戦です。しかし、それが私たちが注力する分野であることは間違いありません。「私たちはその可能性に興奮しています。」と彼女は言います。