量子シミュレータ
量子シミュレータ結晶のこの写真では、イオンが蛍光を発しており、量子ビットがすべて同じ状態（「1」または「0」）にあることを示しています。適切な実験条件下では、イオン結晶は自発的にほぼ完璧な三角格子構造を形成します。クレジット：Britton/NIST
トラップイオン量子シミュレータの図解：シミュレータの中心はベリリウムイオン（図中の青い球）の二次元結晶です。各イオンの最外殻電子は量子ビット（キュービット、赤い矢印）です。イオンはペニングトラップと呼ばれる装置（図示せず）内の強力な磁場によって閉じ込められています。トラップ内では結晶が時計回りに回転します。クレジット：Britton/NIST

量子シミュレータは、量子システムをプログラム可能な方法で研究することを可能にする。この場合、シミュレータは特定の物理学的問題に関する洞察を提供するために設計された特別な目的の装置である。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]量子シミュレータは、より広範な量子問題を解くことができる、一般的にプログラム可能な「デジタル」量子コンピュータと対比される。

汎用量子シミュレータは、 1980年にユーリ・マニン[ 4 ]と1982年にリチャード・ファインマン[ 5 ]によって提案された量子コンピュータである。

量子システムは、チューリングマシンか量子チューリングマシンのいずれかでシミュレートできます。古典的なチューリングマシンは、汎用量子コンピュータ（したがって、より単純な量子シミュレータ）をシミュレートできるため、計算可能性理論の観点からは両者は同等です。古典コンピュータによる量子物理学のシミュレーションは非効率的であることが示されている。[ 6 ]言い換えると、量子コンピュータは計算可能性の点で古典的なコンピュータを超えるパワーを提供しませんが、特定の問題を古典的なコンピュータよりも速く解決できると考えられています。つまり、それらは異なる複雑さのクラスにある可能性があり、これが量子チューリングマシンが量子システムのシミュレーションに役立つ理由です。これは量子超越性として知られており、量子チューリングマシンだけが実行可能な時間 内に解決できる問題が存在するという考えです。

多数の粒子からなる量子システムは、元のシステムの粒子数と同数の量子ビットを用いた量子コンピュータによってシミュレートすることができる。 [ 5 ]これは、はるかに大きなクラスの量子システムにも拡張されている。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

量子シミュレータは、超冷量子気体、極性分子、トラップイオン、光子システム、量子ドット、超伝導回路などのシステムを含む多くの実験プラットフォーム上で実現されている。 [ 11 ]

物理学の問題を解く

物理学、特に低温物理学と多体物理学における多くの重要な問題は、その基礎にある量子力学が極めて複雑であるため、まだ十分に理解されていない。スーパーコンピュータを含む従来のコンピュータは、ヒルベルト空間の次元が粒子数とともに指数関数的に増大するため、わずか30粒子の量子システムをシミュレートするのには不十分である。[ 12 ]特性が数百の粒子の集団的な量子挙動に依存すると考えられている材料を理解し、合理的に設計するには、より優れた計算ツールが必要である。[ 2 ] [ 3 ]量子シミュレータは、これらのシステムの特性を理解するための代替ルートを提供する。これらのシミュレータは、対象となる特定のシステムの明確な実現を作成し、それらの特性の正確な実現を可能にする。システムのパラメータを正確に制御し、幅広く調整できるため、さまざまなパラメータの影響を明確に分離することができる。

量子シミュレータは、現実の粒子の量子特性を直接利用するため、従来のコンピュータではシミュレートが困難な問題を解くことができます。特に、量子シミュレータは重ね合わせと呼ばれる量子力学の特性を利用します。重ね合わせとは、量子粒子が同時に2つの異なる状態、例えば外部磁場に対して整列した状態と反整列した状態をとることです。さらに重要なのは、シミュレータはエンタングルメントと呼ばれる2つ目の量子特性も利用しており、物理的に十分に離れた粒子の挙動でさえ相関関係をとらえることができることです。[ 2 ] [ 3 ] [ 13 ]

最近では量子シミュレータが時間結晶[ 14 ] [ 15 ]や量子スピン液体[ 16 ] [ 17 ]を得るために使われている。

トラップイオンシミュレータ

イオントラップベースのシステムは、量子スピンモデルにおける相互作用をシミュレートするのに理想的な環境を提供します。[ 18 ] NISTを含むチームによって構築されたトラップイオンシミュレータは、数百の量子ビット（キュービット）間の相互作用を設計および制御できます。 [ 19 ]これまでの試みでは、30量子ビットを超えることはできませんでした。このシミュレータの能力は、以前のデバイスの10倍です。一連の重要なベンチマークテストに合格しており、従来のコンピュータではモデル化が不可能な材料科学の問題を解く能力があることを示しています。

トラップイオンシミュレータは、ペニングトラップと呼ばれる装置内に、直径1ミリメートル未満の数百個のベリリウムイオンからなる微小な単面結晶で構成されています。各イオンの最外殻電子は微小な量子磁石として機能し、従来のコンピュータにおける「1」または「0」に相当する量子ビットとして使用されます。ベンチマーク実験では、物理学者たちはレーザービームを用いてイオンを絶対零度近くまで冷却しました。次に、慎重にタイミングを調整したマイクロ波とレーザーパルスによって量子ビットが相互作用し、実験室で研究するのが非常に困難な物質の量子挙動を模倣しました。2つのシステムは外見上は異なるように見えるかもしれませんが、その挙動は数学的に同一になるように設計されています。このように、シミュレータを用いることで、研究者は原子格子間隔や構造など、天然固体では変更できないパラメータを変化させることができます。

Friedenauer らは、2 つのスピンを断熱的に操作し、それらが強磁性状態と反強磁性状態に分離することを示した。[ 20 ] Kim らは、トラップされたイオンの量子シミュレーターを 3 つのスピンに拡張し、グローバル反強磁性イジング相互作用にフラストレーションを特徴付け、フラストレーションとエンタングルメントの間のリンクを示した。[ 21 ] Islam らは、断熱量子シミュレーションを使用して、スピン数が 2 から 9 に増加すると、常磁性秩序と強磁性秩序の間の相転移が先鋭化することを実証した。 [ 22 ] Barreiro らは、オープン リザーバーに結合することにより、最大 5 つのトラップされたイオンと相互作用するスピンのデジタル量子シミュレーターを作成し[ 23 ] Lanyonらは、最大 6 つのイオンでのデジタル量子シミュレーションを実証した。[ 24 ] Islamらは、最大18個の捕捉イオンスピンとの可変（長距離）相互作用を伴う横方向イジングモデルの断熱量子シミュレーションを実証し、反強磁性相互作用範囲の調整によるスピンフラストレーションレベルの制御を示した。[ 25 ] NISTのBrittonらは、量子磁性の研究のために、数百の量子ビットのシステムにおけるイジング相互作用のベンチマーク実験を行った。[ 19 ] Paganoらは、最大44個のイオンのチェーンに対してコヒーレントな1量子ビットおよび2量子ビット操作を実証する、大規模なイオンチェーンの長期保管用に設計された新しい極低温イオントラッピングシステムを報告した。[ 26 ] Joshiらは、51個の個別に制御されたイオンの量子ダイナミクスを調査し、長距離相互作用スピンチェーンを実現した。[ 27 ]

超低温原子シミュレータ

多くの極冷原子実験は量子シミュレータの例である。これらには、光格子内のボソンやフェルミオン、ユニタリーフェルミガス、光ピンセット内のリュードベリ原子配列を研究する実験が含まれる。これらの実験に共通するのは、ハバードハミルトニアンや横磁場イジングハミルトニアンなどの汎用ハミルトニアンを実現できることである。これらの実験の主な目的は、低温相の特定や、様々なモデルの非平衡ダイナミクスの追跡など、理論的にも数値的にも扱いにくい問題である。[ 28 ] [ 29 ]他の実験では、ハルデインモデルやハーパー・ホフスタッターモデルなど、従来の材料では実現が困難または不可能な領域の凝縮物質モデルを実現した。 [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]あるいはシミュレートされた格子ゲージ理論。[ 35 ]

超伝導量子ビット

超伝導量子ビットを用いた量子シミュレータは、主に2つのカテゴリーに分類される。第一に、いわゆる量子アニーラは、断熱ランプ後の特定のハミルトニアンの基底状態を決定する。このアプローチは、断熱量子コンピューティングと呼ばれることもある。第二に、多くのシステムは特定のハミルトニアンをエミュレートし、その基底状態特性、量子相転移、あるいは時間ダイナミクスを研究する。[ 36 ]最近の重要な成果としては、駆動散逸ボーズ・ハバード系におけるモット絶縁体の実現や、量子ビットに結合された超伝導共振器の格子における相転移の研究などが挙げられる。[ 37 ] [ 38 ]

参照

参考文献

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