要約:
量子コンピューターは長い間、驚くべきコンピューティングの可能性を秘めていましたが、情報ストレージにおいては常に課題に直面していました。今回、スイス連邦工科大学チューリッヒ校（ETH Zurich）の研究チームは、微細構造に機械的振動を引き起こすことで情報を保存する新しい量子コンピューティングアーキテクチャを提案し、量子メモリのサイズを大幅に縮小し、将来のプログラマブルユニバーサル量子コンピュータの基礎を築くと期待されている。
研究チームが開発した新しい量子チップは、「機械共振器」と呼ばれる小さな部品を使用しています。システムが量子情報を保存する必要がある場合、これらの構造は非常に高い周波数で振動し始め、情報はこれらの振動状態で保存されます。チップ全体は長さ約7.5mm、幅約2.5mm、高さ約1mmで、小さな爪ほどの大きさしかありません。
このシステムはギターと同じように機能すると、チューリッヒ工科大学の量子物理学者でプロジェクトリーダーのイーウェン・チュー氏は言う。ギターの弦は振動して音符を生成し、新しい量子チップは人間の可聴範囲をはるかに超えた微細な機械的振動を使用して、量子情報を保存および処理します。ただし、これらの振動は音ではなく、量子の状態伝達体です。
現在主流の超伝導量子コンピューターは通常、高度に統合された設計を採用しており、量子ビットが計算タスクと情報ストレージの両方を担当します。この方法は構造が単純ですが、量子ビットが情報を保存する時間が比較的短く、複雑で長期の演算を実行するとデータが失われやすくなります。この問題を解決するために、既存のシステムは通常、追加の電磁共振器を接続してメモリとして使用します。これらの共振器は量子状態を一時的に保存できるため、必要に応じて量子ビットが量子状態を再読み取りできるようになります。ただし、これらの構造はマイクロ波共振空洞に依存することが多く、マイクロ波の波長はセンチメートル範囲であることが多いため、関連するコンポーネントのサイズも大きくなります。
絶対零度に近い温度で動作する必要がある量子コンピューターにとって、空間は非常に貴重な資源です。システム全体を大型の極低温冷却装置内に配置する必要があり、かさばる電磁メモリ モジュールによってシステムの拡張機能が大幅に制限されます。チューリッヒ工科大学のチームは、まったく異なるアプローチを選択しました。
それらは、量子情報を光子の形の電磁波ではなく、「フォノン」と呼ばれる機械的振動で保存します。固体中の音波の伝播速度は光の速度よりもはるかに遅いため、対応する波長も大幅に短くなります。これは、より多くの情報記憶ユニットを同じスペースに収容できることを意味します。研究チームは、この新しいアーキテクチャは、現代のデジタルコンピュータにおけるCPUとRAMの関係と同様に、量子プロセッサと量子ワーキングメモリの役割を初めて明確に区別したと述べた。超伝導量子ビットは計算と制御を担当し、機械共振器は作業メモリとして機能し、動作中に一時データを保存します。
研究者らは、この設計によりストレージ密度が向上するだけでなく、システム構成の効率も向上すると考えています。量子処理と量子ストレージが再分割されるため、各コンポーネントは最も得意なタスクに集中できるため、全体的なパフォーマンスが向上します。
実験中、チームはこのアーキテクチャを使用して基本的な量子論理演算とより複雑な量子コンピューティング タスクを完了することに成功し、実際のシステムでのこの設計の実現可能性を検証しました。研究者らは、これが量子コンピューティングアーキテクチャにおける真にプログラマブルなシステムに向けた重要な一歩となると信じている。
Chu Yiwen 氏は、量子プロセッサと量子メモリ間の効率的な連携は、将来の量子コンピュータが従来のコンピュータでは処理できない問題を解決できるようになるための重要な基盤であると述べました。彼女は、現代のコンピューターと同様の明確な分業のアーキテクチャを確立することによってのみ、量子コンピューターはより大規模な開発を達成できると信じています。
現時点では、この成果はまだ実験研究の段階にあり、商用量子コンピュータにはまだ程遠いです。しかし、業界関係者は、量子ハードウェアの規模が拡大し続けるにつれて、量子情報を効率的に保存および呼び出す方法が、将来の量子コンピューティング能力を決定する重要な要素になると考えています。機械的振動を利用して量子メモリを構築するというこの新しいアイデアは、次世代の量子コンピューティング プラットフォームに重要な技術的道筋を提供する可能性があります。
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