量子コンピュータが物質の「突如出現」をシミュレート

9月23日に Nature Physics で発表されたこの研究は、トラップイオン量子コンピュータが基礎物理学の最も深い疑問のいくつかを探求するための強力なツールになり得ることを示しています。この実験では、ストリング切断として知られるプロセスをシミュレートしました。このプロセスでは、物質の2つの結合した構成要素が引き離され、結合が切れたときに新しい粒子が事実上「出現」するほど多くのエネルギーが蓄積されます。

「量子コンピュータのシミュレーションは、Big Bang そのものを目撃することを除けば、物質形成のような複雑な問題を調査するための最良のプラットフォームを提供します」と、この研究を率いた Duke の Gilhuly Family Presidential Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering and Physics である Christopher Monroe 氏は述べています。「これらの知見は、量子科学分野における顕著な進歩を示しており、ストリング切断ダイナミクスを理解するための新たな道を切り開くものです。」

この研究は、University of Maryland (UMD)、Oxford University、California Institute of Technology、Cornell University、および KU Leuven の研究者を含む国際的な共同研究によって実施されました。この知見は、異なるタイプの量子コンピューティングハードウェアを使用して同様の物理現象を再現した、別のチームによる最近発表された他の2つの研究と並んで掲載されています。

Why Quarks Cannot Simply Be Pulled Apart

クォーク（Quarks）は、物質の最も基本的な既知の構成要素の一つです。これらは陽子や中性子などの粒子の中に存在し、原子よりも約10億倍小さいものです。クォークは通常、互いに固く結びついているため、科学者は現在、孤立したクォークを直接観察することはできません。

これをイメージする一つの方法は、ピンと張られた紐（ストリング）でつながれた2つの小さな荷電粒子を想像することです。それらが遠くに引き離されるほど、それらの間の結合に多くのエネルギーが蓄えられます。

最終的には、追加の荷電粒子を作成するのに十分なエネルギーが蓄積されます。これは、質量とエネルギーが Einstein の有名な方程式 E=mc² を通じて関連しているために可能です。1つの分離されたペアで終わるのではなく、元の結合が切れ、新しい粒子ペアが形成されます。

このようなプロセスには膨大なエネルギーが必要であり、通常、Large Hadron Collider の内部で作り出されるような条件や、Big Bang の直後に存在したと考えられているような極限状態でのみ発生します。

Recreating String Breaking in a Quantum Machine

今回の新しい実験で、Duke が率いるチームは、トラップイオン量子プラットフォームを使用して、類似のストリング切断の挙動を再現しました。量子シミュレータは、研究者がそれらを精密に制御し、原子および亜原子スケールで発生する物理的プロセスを模倣するようにプログラムできるため、この種の研究に特に有用です。

「量子シミュレーションと高エネルギー物理学の交差点で研究することは、信じられないほどエキサイティングです」と、論文の筆頭著者であり、Monroe 氏のラボの元博士課程学生で、現在は QuEra Computing のプロダクションマシンリードを務める Arinjoy De 氏は述べています。「制御された実験室環境でクォークの閉じ込めとストリング切断現象をシミュレートすることで、最も根本的なレベルでの物質の挙動に関する実験的調査の新しい道を開いています。」

シミュレーションを構築するために、研究者らは13個のトラップイオンの鎖にストリング切断モデルをエンコードしました。その後、精密に制御されたレーザービームを使用して、イオン同士がどのように相互作用するかを調整しました。

それらの相互作用により、チームは粒子のストリングのような引き伸ばしと最終的な切断を再現する方法で、システムのエネルギーを制御することができました。

Watching the Quantum System Evolve

研究者らはシステムを非平衡状態で準備し、時間の経過とともにそれがどのように変化するかを追跡しました。これにより、有効電荷の出現を検出し、シミュレートされたストリング切断プロセスに関連するダイナミクスを再構築することができました。

結果を確認するために、チームは古典的なコンピュータを使用して同じプロセスをモデル化しました。古典的な計算は、量子シミュレータによって生成された実験結果と一致しました。

この比較的限定されたスケールのシミュレーションでは、古典的なコンピュータでも依然として計算を実行できます。しかし研究者らは、将来の実験がより大規模で複雑になるにつれて、量子コンピュータが最終的には古典的なマシンでは処理できないバージョンのこれらの問題を解決できるようになると期待しています。

他の研究グループも最近、異なる形態の量子ハードウェアを使用して同様のマイルストーンに到達しました。Google と QuEra Computing が率いるチームは、それぞれ超伝導回路と中性原子を使用して、関連するストリング切断モデルを再現しました。各アプローチには、独自の長所と限界があります。

「これらは量子コンピューティングを牽引する3つのプラットフォームであるため、量子コミュニティにとって素晴らしいベンチマークと比較になります」と Monroe 氏は付け加えました。

Toward Simulations Beyond Supercomputers

トラップイオンの結果は、世界で最も強力な従来のスーパーコンピュータでさえも複雑すぎる量子シミュレーションに向けた、さらなる一歩となります。

量子システムがスケールアップし続ければ、研究者らは最終的に、物質が Big Bang の直後にどのように振る舞い、進化したかなど、実験室で直接再現することが困難または不可能な疑問を調査するためにそれらを使用できるようになるでしょう。

「物理学者として、原子レベルの計算機で初期宇宙の状態を調査することは信じられないほどエキサイティングです」と、研究チームの一員である UMD の物理学准教授、Zohreh Davoudi 氏は述べています。「非平衡物理モデルからのわずかな洞察であっても、将来の指針となるでしょう。」

The research was supported by the Department of Energy (DE-SC0020312, DE-SC0025341, DESC0019040, DE-SC0024220, DE-SC0020271), National Science Foundation (OMA-2120757), Air Force Office of Scientific Research, Defense Advanced Research Projects Agency and Amazon Web Services.