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量子コンピューティングのために原子の量子状態を正確に計測

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August, 7, 2019, University Park--Penn Stateの研究者によると、新しい方法で、以前に可能だったよりも20倍少ない誤差で原子「qubit」の量子状態を計測できる。原子のロスは1つもない。qubitは量子コンピュータで情報の基本単位。qubit状態の正確な計測は、量子コンピュータ開発における重要なステップである。
 研究成果は、Nature Physicsに発表された。

 Penn State物理学教授、研究チームリーダー、David Weissは、「われわれは、qubitsとしてレーザ冷却、トラップされたセシウム原子3Dアレイを使う量子コンピュータ開発に取り組んでいる,」と説明している。「量子力学により、原子qubitは、2つの状態の“重ね合わせ”で存在可能である。つまり、ある意味、それらは両方の状態で同時存在する。量子コンピュテーションの結果を読み出すために、個々の原子の計測が必要である。各計測が、2つの可能な状態の一方にだけ個々の原子を見つけ出す。2つの結果の相対的確率は、計測前の重ね合わせ状態に依存している。
 
 qubit状態を計測するために、チームは、まずレーザを冷却に使い、X, Y, および Z軸の3D格子に約160原子をトラップする。最初、レーザは、量子状態を無視して、原子の全てを等しくトラップする。次に研究チームは、X格子を作るレーザビームの一つの偏光を回転させる。これが空間的に1つのqubit状態の原子を左に、また反対のqubit状態の原子を右にシフトさせる。1つの原子が2つのqubit状態の重ね合わせで始まると、左に動いた状態と、右に動いた状態の重ね合わせで終わる。それらは次に、より小さな格子間隔のX格子にスイッチする、これはシフトした位置の新たな重ね合わせで原子をしっかりとトラップする。光が各原子から散乱され、それがある位置を観察すると、各原子は、左にシフトしたか、右にシフトしたか、そのいずれかで見つかる、これは最初の状態に依存する確率である。各原子の位置の計測は、各原子の最初のqubit状態の計測に相当する。

「内的状態を空間的位置にマッピングすることは、これを理想的に計測にするのに大いに役立つ。われわれのアプローチのもう1つの利点は、その計測が、われわれが計測している原子の損失の原因にならないことである。この点は、多くの以前の方法の制限要因である」とWeissは説明している。

 チームは、その新しい方法の正確さを確定した。これは,qubit状態の一方、または他方の原子を格子にロードし、計測を実視することによった。研究チームは,忠実度0.9994で原子状態を正確に計測できる,つまり10000計測でわずか6の誤差しか出なかった。以前の方法を20倍改善したことになる。さらに、誤り率は、個々の実験でチームが計測したqubitの数に影響されなかった。また、原子のロスがなかったので、原子は量子コンピュータで再利用して次の計算が実行できる。

「われわれの方法は、量子物理学歴史に不可欠の実験、1922年からのStern-Gerlach実験と同じである。その実験では、シルバー原子のビームが、勾配に垂直整列されたN極磁界傾斜を通過させられた。Stern とGerlachが半分の原子が上と下に曲げられるの見たとき、量子重ね合わせという考えを確認した。これは、量子力学を特徴付の一つである。われよれの実験では、原子の内部量子状態を位置にマッピングしたが、原子基盤で原子にマッピングすることも可能だ。もちろん、量子力学のこの面をテストする必要なく、それを使うだけだ」と話している。
(詳細は、https://www.psu.edu/)