新研究: モジュラー量子プロセッサのスケーラビリティ向上を目指す柔軟な量子ビット接続法

Tokyo最近の研究により、実用的な大規模量子プロセッサの作成方法が明らかになりました。量子コンピュータは、情報を格納および処理するために「量子ビット」という単位を使います。通常のビットとは異なり、量子ビットは複数の状態を同時に取ることができ、計算を高速化します。しかし、量子コンピューティングの大きな課題は、何百万もの量子ビットを同時に管理することであり、非常に複雑な電子回路が必要です。

ロードアイランド大学のヴァニタ・スリニヴァサ教授による新しい研究では、量子プロセッサーの拡張のためのシステムが導入されています。主要なアイデアは、柔軟な接続を使用して、遠距離にある量子ビットを結びつけることです。この方法により、量子コンピューティングが従来のコンピューティングよりも強力になるために必要不可欠な、相関する量子操作が可能になります。

主なポイントは以下の通りです。

• 量子コンピュータは、各キュービットを個別の周波数で制御する必要があります。
• 複数のキュービットを接続するには、それらの周波数を一致させる必要がありますが、システムが拡大するにつれてこれは非現実的になります。
• この研究は、振動する電圧をかけることで、各キュービットに追加の周波数を生成する方法を提示しています。

提案されたシステムでは、半導体内のスピン量子ビットが電子スピンなどの特性により制御され、情報損失を減少させる。研究者たちは、単に一つのアレイに量子ビットを追加するのではなく、モジュラーアプローチを推奨している。それぞれのモジュールは、小さな量子ビットのアレイであり、長距離の絡み合いリンクによって接続することができる。

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このモジュラー方式にはいくつかの利点があります。

• スケーラビリティ：頑丈な接続で結ばれたモジュール単位を利用し、量子プロセッサを拡張することが可能です。
• 柔軟性：複数の共鳴条件により、周波数を合わせることなく新しい量子ビットを簡単に追加できます。
• 堅牢性：フォトンリークに対する感度が低いため、量子ビット間の安定した長距離リンクを確保できます。

この研究は、超伝導キャビティ内でマイクロ波フォトンを使って相互作用する量子ドットに基づくスピンキュービットを調査しました。量子ドットは、半導体内の小さな領域に電子を閉じ込め、電圧で制御します。超伝導キャビティはより大きなフォトンを保持し、キュービットをつなぐために重要です。以前の実験では、キュービットとフォトンの周波数を共鳴させるのが難しいことがわかっており、それは2つのキュービットですら困難でした。

研究者たちは、スピンを高速で前後に移動させるために振動する電圧を使用して問題を解決しました。これにより、各量子ビットに対して追加の周波数選択肢が増え、周波数を一致させやすくなりました。その結果、2つの量子ビットを接続する方法が9種類になり、彼らが実行できる絡み合い操作の多様性が向上しました。

この手法は、半導体キュービットを用いてモジュラー型の量子プロセッサを作成する可能性を示しています。次のステップは、これらのアイデアを実際の量子デバイスに適用し、現状の問題を解決して実用的な量子プロセッサの実現を目指すことです。