【量子物理学】量子シミュレーターの開発研究が大きく飛躍
Nature
極めて多数の制御「キュービット」（量子コンピューターの基本単位で、古典的コンピューターのビットに相当する）を備えた量子シミュレーターが2つの別々の実験で実証されたことを報告する論文が、今週掲載される。このシステムは、古典的コンピューターを使ってモデル化できない相互作用の研究に利用できる可能性がある。
量子シミュレーターは、量子粒子の相互作用を調べる（シミュレートする）量子コンピューターの一形態で、将来的に性能を高めた量子コンピューターを設計する際に役立つ可能性がある。少ない数の個別に制御されたキュービットを用いて分子などの系をシミュレートすることはすでに行われている。しかし、これを大きな量子素子の集団にスケールアップし、それによって今まで以上に複雑な多体量子系をシミュレートすることは難題となっている。
このほど、多数の制御キュービットを備えた量子シミュレーターが2つの独立した研究で実証された。Mikhail Lukinたちの研究グループがいわゆるリュードベリ状態にある原子（51個）を用い、Christopher Monroeたちの研究グループがトラップされたイオン（53個）を用いてイジング型量子磁性体における相転移（量子相互作用の簡易な「おもちゃ」モデル）を調べた。いずれの研究グループも量子粒子の秩序状態への転移を観測し、詳細に調べた。その結果、古典的な方法では説明できない多体相互作用に関する新たな知見がもたらされた。2つの研究で得られた知見から、今までより規模の大きな系における量子ダイナミクスと量子シミュレーションの研究プラットフォームが得られる可能性がある。
Quantum simulators with an exceptionally high number of controlled ‘qubits’ (the building blocks of a quantum computer, analogous to the bits in classical computers) are demonstrated in two separate experiments published in this week’s Nature. The systems can be used to study interactions that are not possible to model using classical computers.
Quantum simulators are a form of quantum computer that investigate (‘simulate’) how quantum particles interact, which in turn could aid the design of better quantum computers in the future. Small numbers of individually controlled qubits have already been used to simulate systems such as molecules. However, scaling this up to larger ensembles of quantum elements - and thus simulating more complex many-body quantum systems - has been a challenge.
Two independent studies demonstrate quantum simulators with a large number of controlled qubits. Mikhail Lukin and co-workers used 51 so-called Rydberg atoms and Christopher Monroe and colleagues 53 trapped ions to study phase transitions in Ising-type quantum magnets - a simplified ‘toy’ model of quantum interactions. Both groups observed and probed transitions of the particles into ordered states, providing insights into many-body interactions that cannot be described using classical approaches. The findings may provide a platform for studying quantum dynamics and quantum simulations in larger systems.
doi: 10.1038/nature24654
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