量子コンピューター ＆ シミュレーション

普段の生活では、なかなか気づかないことが多いかもしれません。しかし、量子物理学を用いてコンピューティングとシミュレーションを次のレベルに引き上げれば、多くの可能性が秘められています。困難な、あるいはこれまで不可能とされてきた計算や最適化を解決できるようになるかもしれません。そして、量子シミュレータや量子コンピュータを活用すれば、人類の利益のために重要な量子過程や複雑な量子システムを分析できるかもしれません。1965年のノーベル賞受賞者であるリチャード・ファインマンの言葉を借りれば、 ”量子システムだけが量子物理学をシミュレートできる" ということです。彼が示唆したのは、ある量子システム、つまり量子シミュレータを用いて、別の興味のある量子システムを理解することです。

量子コンピュータと量子シミュレータの基本単位は、量子ビット、すなわち "量子ビット" です。量子ビットは、少なくとも2つの量子状態を持ち、準備、操作、読み出しが可能です。量子状態の操作は非常に精密に行う必要があり、例えば、量子シミュレータ（アナログ量子コンピュータと呼ばれることもあります）で特定の外部場を印加したり、（デジタル）量子コンピュータで通常は異なるパルス操作ステップを連続的に実行したりすることで実現できます。後者は量子ゲートと呼ばれ、通常は2種類の異なるゲートが必要です。1つは1つの量子ビットのみに作用するもの（1量子ビットゲート）で、もう1つは2つの異なる量子ビットに同時に、かつ条件付きで作用するもの（2量子ビットゲート）です。このような量子ビットを多数集めたものは量子システムと呼ばれます。イオンと原子は、光量子時計に最適な物質であるだけでなく、量子コンピューティングや量子シミュレーションにも最適な量子システムであり、長寿命で高忠実度のアドレス指定が可能な量子ビットを提供します。

量子ビットは非常に壊れやすいものです。量子ビットは簡単に失われたり、破壊されたり、乱されたりして、量子コンピューティングや量子シミュレーションに使用できなくなります。選択した量子システムに応じて、これは数ミリ秒以内から（わずか）数秒以内に発生する可能性があります。これは、1 回のシミュレーションまたは 1 回の計算シーケンスに使用できる時間です。量子コンピューティングとシミュレーションに使用されるほとんどの量子システムの実現にはレーザーが使用されます。レーザーは、量子状態の準備、量子ゲートの実現、および量子ビットの読み出しに利用されます。さらに、レーザーは異なる量子システムをリンクする（量子コンピューターまたは量子コンピューティングサブビットを接続するなど）ために使用され、これは量子通信の主要なタスクです。チューナブルダイオードレーザー、ファイバー増幅器、光周波数コム、波長計は、理想的には完全なソリューションとしてレーザーラックシステムに統合され、最も重要な製品です。