イオン 量子 コンピューティング ＆シミュレーション
イオン量子コンピューティングとシミュレーション
イオンは量子コンピューティングと量子シミュレーションの両方に最適な量子システムです。イオンは、あらゆる量子状態（電子状態と運動状態）を究極的に制御でき、環境から十分に隔離されているため、優れた量子ビットを提供できます。
イオンレジスター：レーザー冷却とトラッピング
量子コンピューティングや量子シミュレーションアプリケーション向けにイオンを準備するには、原子をイオン化し、レーザー冷却した後、いわゆるポール型またはペニング型トラップに電磁的にトラップします。イオントラップは、3次元型、あるいは複雑な ”2次元” チップベースの表面トラップです。このようなイオントラップは、多くの場合、研究所で設計・製造されますが、現在ではAlpine Quantum Technologies (AQT)やInfineonなどの企業からも市販されています。イオンのトラップは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、イオン化、冷却、再ポンピングのための特殊なレーザーシステムが必要です。さらに、イオントラップを実現するためには、高周波電場、低ノイズ電圧、そして磁場も必要です。
イオン量子ビットの実現：システムと量子状態
イオンベースの量子コンピューティングとシミュレーションで最も一般的に用いられる種は、Ca + 、Yb + 、Ba + であり、これらの量子状態は以下のとおりです。
- "超微細量子ビット” と呼ばれる、量子ビットとして用いられる超微細構造を持つ2つの状態。
- "光量子ビット"（または"クロック量子ビット"）と呼ばれる、光時計遷移の2つの状態（基底状態と1つの長寿命の準安定状態）。
- "核スピン量子ビット"（または "ゼーマン量子ビット"）と呼ばれる、基底状態の2つのサブ磁気状態。
光ポンピング（リンク：光ポンピング & 電磁誘起透明化）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）に準備するために使用されます。繰り返しになりますが、レーザーが必要な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。
量子ゲート
- 単一量子ビットゲートは、1つのイオンの2つの量子ビット状態 |0> と |1> 間の遷移を、明確に定義された時間と位相でコヒーレントに駆動することによって実現されます。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。
- 光量子ビットの場合、通常、光時計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、光時計遷移に対して数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下記2つの方法があります。
- 1つは、対象となる量子ビット状態のエネルギー差に共鳴する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。
- 若しくは、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ち、明確に定義された相対位相を持ち、それぞれが明確に定義された時間と位相で共通の上位の量子状態に近い2つのレーザーを適用する方法です。
- 2量子ビットゲートは、さまざまな方法で実現されます。
光量子ビットを使用するそれらの 1 つ (いわゆる Cirac-Zoller ゲートのバージョン) の簡略化された図は次のとおりです。すべてのイオン (イオン 1 とイオン 2 など) は、トラッピング ポテンシャル内で運動基底状態に準備されます。次に、イオン 1 の 1 つの量子ビット状態 (|0>) から他の量子ビット状態 |1> への遷移に共鳴するレーザーを照射しますが、イオン 1 が |1> に遷移し、同時に、荷電イオンのクーロン相互作用によって互いに結合しているイオン 1 と 2 の両方が、より高い運動状態に励起されます。これには、静止イオンの遷移周波数に運動励起の周波数を加えた値に対応する励起レーザーの光周波数が必要であり、これは数 MHz 程度のイオントラップ周波数と同程度です。続いて、2番目のイオン2に、静止イオンの光学遷移から運動励起の周波数を差し引いた周波数に共鳴するレーザーを局所的に照射すると、イオン2も|1>に励起され、両方のイオンは再び静止状態に戻ります。しかし、パルスシーケンスの開始時に最初のイオン1が|0>ではなく|1>の状態にあった場合、イオン2の励起は発生しません。これは2量子ビットゲートです。なぜなら、イオン2の最終状態はイオン1の初期状態に依存するからです。
状態選択的検出
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、イオンの最終的な量子状態を、光検出器やカメラに多数の光子を散乱させる遷移に共鳴する量子状態選択レーザーに照射して読み出す。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る。
量子シュミレーション
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）を適用する。
- 若しくは、イオン間のスピン交換（磁気）相互作用を利用して、
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イオンの量子状態、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。
イオン量子コンピューティングとシミュレーションの長所と短所
イオンは、直線状のイオン鎖において最大約100個という大量のイオンを生成できます。さらに、チップベースのトラップ（QCCD = 量子CCDデバイス）は、交差、蓄積領域、ゲート領域を含むトラップ内でのイオンの往復という複雑な構成を可能にします。現在、ゲートの精度、ひいては量子コンピューティングステップの性能を定量化する量子ビット忠実度は非常に高く、最大0.99999に達します。現在残っているわずかな課題は、単一の量子プロセッサで使用できるイオンの総数が限られていることと、原子ベースの量子コンピューティングと比較して比較的遅い2量子ビットゲート（通常は10分の1秒から数百マイクロ秒程度）です。現在利用可能なすべての量子コンピュータの中で、イオンベースの量子コンピュータは33,554,432という量子ボリュームの世界記録を保持しており、さらに高い量子ボリューム（＝優れた性能）を持つシステムは、最近リリースされたばかり、または近々リリースされ、特性評価されるシステムに限られます。
イオン量子コンピューティングとシミュレーションのためのレーザー
レーザーは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、科学研究や多くの商用ソリューションにも組み込まれています。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
- クロックレーザーシステム
- CWファイバーアンプおよ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
- 上記製品を含む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。