原子量子                       コンピューティング   &シミュレーション

量子コンピューティングおよび量子シミュレーションアプリケーション向けに中性原子を準備するには、レーザー冷却と光トラップ（リンク：原子冷却と光トラップのページ）が行われます。これは、定在レーザー光波によって形成されるいわゆる光格子、または高密度に集束されたレーザービームによって形成される光ピンセットや光ピンセットアレイに閉じ込められます。これらはすべて超高真空システム内で行われ、場合によっては極低温環境下でも行われ、特殊なレーザーシステムが必要です。

原子量子コンピューティングで最も一般的に用いられる原子種は以下のとおりです。

• RbまたはCs  超微細基底状態多様体の2つの状態を量子ビットとして用いるもので、"超微細量子ビット" と呼ばれます。
• SrまたはYb  様々な量子ビットの実現形態を持つもの：
  • 光クロック遷移の2つの状態（基底状態と1つの長寿命の準安定状態）は "光量子ビット"（または "時計量子ビット" ）と呼ばれます。
  • 2つの準安定状態（典型的には、上位のクロック状態の多様体に存在する状態）は "微細構造量子ビット"（または "準安定量子ビット"）と呼ばれます。
  • 基底状態の2つの磁気的部分状態は ”核スピン量子ビット" （または "ゼーマン量子ビット" ）と呼ばれます。

光ポンピングとレーザーによるコヒーレント転送は、量子ビットを所望の開始状態（初期化）に準備するために用いられます。繰り返しになりますが、レーザーを必要とするすべての操作において、高品質の特別なレーザーシステムが重要な要素となります。

• 単一量子ビットゲートは、1つの原子の2つの量子ビット状態 |0> と |1> 間の遷移を、位相が明確に定義された時間にわたってコヒーレントに駆動することで実現されます。その方法は、対象となる量子ビット状態によって異なります。
  
  • 光クロックゲートの場合、通常、光クロック遷移を直接制御するレーザーを使用します。典型的には、数Hz程度の線幅を持ち、光クロック遷移に対して数Hz程度の精度で周波数安定化された、高出力・低ノイズレーザーが必要です。
  • 超微細量子ビットと核スピン量子ビットの制御には2つの方法があります。
    
    • 1つは、コヒーレントな無線周波数またはマイクロ波場を適用する方法
    • もう1つは、対象となる量子ビット状態のエネルギー差だけ、異なる光周波数を持つ2つのレーザーを適用する方法です。これらのレーザーは、相対位相が明確に定義され、位相が明確に定義された時間にわたって、共通の上位量子状態にそれぞれ近接しています

• 2量子ビットゲートは通常、原子を量子ビット状態選択的にレーザー励起してリュードベリ状態 |r> にし、いわゆるリュードベリブロッケードを利用することで実現されます。
  簡略化した図は次のとおりです。リュードベリ状態に励起された原子に近い（数µm程度）原子のリュードベリエネルギー準位は、リュードベリ状態に関連する大きな双極子モーメントによってシフトし、リュードベリ励起レーザーと共鳴しなくなります。その結果、1つの量子ビット状態（例えば |0>）から定義されたリュードベリ状態 |r> への遷移に共鳴するレーザーを、近くにある2つの原子1と2のうちの1つである原子1に照射すると、原子1が |0> にある場合、原子1は |r> に励起されます。2番目の原子2は、同じレーザーでその後局所的にアドレス指定されると、同じ動作をしますが、原子1が状態 |0> でない場合に限られます。原子1が状態|0>にあったとすると、今度は|r>となり、原子2はリュードベリ状態|r>へと遷移し、リュードベリブロッケードによってレーザーとの共鳴が失われます。その結果、原子2は原子1の初期状態に応じて状態を変化させます。これは2量子ビットゲートです。

ゲートシーケンスによって実行された計算結果を読み出すには、量子状態選択レーザーを照射することで最終的な量子状態を読み出す。これらのレーザーは、多数の光子を光検出器やカメラに散乱させる遷移に共鳴する。検出ステップでは、追加の再ポンピングと、事前の光ポンピングまたはコヒーレント転送が必要となる場合があります。

量子シミュレーション（アナログ量子コンピューティング）では、（デジタル）量子コンピューティングのようにゲートシーケンスを適用する代わりに、

• 設計された人工ポテンシャル（光、電場、磁場）
• 慣性力、または重力
• 原子間の相互作用

を適用して、システム内に特定の "ハミルトニアン" を実現します。そして、このハミルトニアンの影響下で、原子の量子状態、あるいは最終的に実現される量子状態の時間依存的な変化を観測します。検出は、蛍光検出とイメージングによって行われます。

光格子では数十万個、光ピンセットでは数千個という膨大な数の原子を準備することができます。原子はほぼ任意に移動させたり、空間的に配置・再配置したりできるため、量子コンピューティングやシミュレーションにおいて多様な構成を実現できます。2量子ビットゲートは、リュードベリブロッケードの強さ（＝速度）により、比較的高速にスイッチングできます。

現在、ゲートの精度、ひいては量子コンピューティングの各ステップの性能を定量化する量子ビット忠実度は0.99倍と非常に高く、イオン量子コンピューティングで達成される忠実度には及ばない状況ですが、ここ数年で大きな進歩が遂げられています。

レーザーは、原子量子コンピューティングとシミュレーションにおいて重要な役割を果たします。量子技術向けに設計された当社の製品はすべて、この用途に適しているだけでなく、科学研究および商用ソリューションにも統合されています。トップセラー製品とカスタマイズバージョンには、以下の製品が含まれます。

• チューナブルダイオードレーザーシステム
• ULEを含むクロックレーザーシステム
• CWファイバーアンプ 及び ラマンファイバーアンプ
• 光周波数コム
• 波長計
• 周波数および位相安定化電子モジュール
• 上記の製品を含む完全なレーザーラックシステム

最適なソリューションについてご相談いただくには、当社の営業およびアプリケーションエキスパートまでお問い合わせください。