新しい量子コンピューティングのパラダイム: ゲーム

ロスアラモス国立研究所2023年8月26日

量子コンピューティング戦略では、単純な磁場を使用して、自然の量子システム内の電子のスピンなどの量子ビットを回転させます。

自然な量子相互作用を使用すると、グローバーのアルゴリズムやその他多くのアルゴリズムで、より高速かつ堅牢な計算が可能になります。

Los Alamos National Laboratory scientists have developed a groundbreaking quantum computingPerforming computation using quantum-mechanical phenomena such as superposition and entanglement." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">自然な量子相互作用を使用した量子コンピューティング アプローチ。 この方法は、量子ビットの寿命が長く、グローバーのアルゴリズムによる効率的な問題解決、および大幅なエラー回復力を約束します。

量子コンピューティング ハードウェアに対する状況を一変させる可能性のある理論的アプローチにより、現在の量子コンピューターに見られる問題となる複雑さの多くが回避されます。 この戦略は、自然な量子相互作用のアルゴリズムを実装し、古典的なコンピューターや従来のゲートベースの量子コンピューターよりも高速に現実世界のさまざまな問題を処理します。

「私たちの発見により、量子ハードウェアに対する多くの困難な要件が解消されました」とロスアラモス国立研究所の理論物理学者ニコライ・シニツィン氏は述べた。 彼は、このアプローチに関する論文の共著者であり、この論文は8月14日にジャーナルPhysical Review Aに掲載された。「ダイヤモンドの欠陥の電子スピンなどの自然システムは、まさに私たちの計算プロセスに必要な種類の相互作用を持っています。」

シニツィン氏は、チームは同じくロスアラモスの実験物理学者と協力して、超低温原子を使ったアプローチを実証したいと述べた。 超低温原子における現代の技術は、約40〜60量子ビットでそのような計算を実証できるほど十分に進歩しており、これは現在古典的な計算、つまりバイナリ計算ではアクセスできない多くの問題を解決するのに十分であると同氏は述べた。 量子ビットは量子情報の基本単位であり、よく知られている古典的なコンピューティングのビットに似ています。

新しい戦略では、量子もつれを共有する必要がある多数の量子ビット間に論理ゲートの複雑なシステムを設定するのではなく、単純な磁場を使用して、自然なシステム内で電子のスピンなどの量子ビットを回転させます。 アルゴリズムの実装に必要なのは、スピン状態の正確な進化だけです。 シニツィン氏は、このアプローチは量子コンピューターに提案されている多くの実際的な問題を解決するために使用できる可能性があると述べた。

量子コンピューティングは、論理ゲートの長いストリング内の量子ビットを接続し、計算に必要な量子もつれを維持することが難しいという障害を抱えた、依然として初期の分野です。 もつれはデコヒーレンスとして知られるプロセスで崩壊し、もつれた量子ビットがコンピューターの量子システムの外側の世界と相互作用し始め、エラーが発生します。 これはすぐに行われるため、計算時間が制限されます。 真のエラー訂正は量子ハードウェアにはまだ実装されていません。

新しいアプローチは、誘導的なもつれではなく自然なもつれに依存しているため、量子ビット間の接続が少なくて済みます。 これにより、デコヒーレンスの影響が軽減されます。 したがって、量子ビットは比較的長期間存続するとシニツィン氏は述べた。

ロス アラモス チームの理論論文は、このアプローチがグローバーのアルゴリズムを使用して、既存の量子コンピューターよりも高速に数値分割問題をどのように解決できるかを示しました。 最もよく知られた量子アルゴリズムの 1 つとして、従来のコンピューティング リソースを消費する大規模なデータ セットの非構造化検索が可能になります。 たとえば、グローバーのアルゴリズムを使用すると、タスクの実行時間を 2 台のコンピューター間で均等に分配できるため、他の実際のジョブとともに同時に完了することができる、とシニツィン氏は述べています。 このアルゴリズムは、理想的なエラー訂正された量子コンピューターに適していますが、今日のエラーが発生しやすいマシンに実装するのは困難です。

量子コンピューターは、従来のデバイスよりもはるかに高速に計算を実行できるように構築されているが、これまで実現するのは非常に困難であったとシニツィン氏は述べた。 従来の量子コンピューターは、量子回路、つまり異なる量子ビットのペアによる基本演算のシーケンスを実装します。