Hundred-hertz quantum circuit iteration rate in a reusable neutral-atom array

実用的な量子コンピュータの構築に向けた探求の中で、科学者たちは、情報の最小単位として知られる量子ビット（qubit）を保持し制御するための、多くの異なる方法を模索してきました。一つの有望なアプローチは、真空中に光のビームによって吊り下げられた個々の原子を利用し、それらを量子ビットとして機能させるものです。これらの中性原子アレイは、数千個の原子を保持できるほど拡張可能であり、原子を極めて精密に移動させることができるため、非常に魅力的です。しかし、長年にわたり、ある大きなボトルネックがその進歩を遅らせてきました。原子自体は非常に素早く操作できる一方で、その状態を確認し、次のステップに向けて準備するプロセスが、極めて遅かったのです。伝統的に、原子の状態を読み取るには、原子をトラップから弾き飛ばしたり、加熱しすぎて失わせたりしてしまうことが多い手法が必要でした。これは、単一の計算を行うたびに、科学者が新しい原子を補充し、配置し直すために数百ミリ秒もの時間を費야 することを意味しており、1秒間に実行できる計算回数を制限していました。

研究チームは、この速度制限を打ち破る方法を実証し、中性原子量子プロセッサが1秒間に100回の割合で計算を実行できることを示しました。原子の状態を破壊したり失わせたりすることなく読み取れるシステムを設計することで、チームは同じ原子グループを、連続して何度も繰り返し使用することを可能にしました。この成果は、技術を「ステップ・バイ・ステップ」の遅いプロセスから、高速なデータストリームへと進化させ、原子ベースのコンピュータの性能を、実世界のアプリケーションに必要な速度へと大きく近づけました。

実験は、真空チャンバー内に閉じ込められたルビジウム87という特定の種類の原子を用いて行われました。研究者たちは、これら10個の原子を一直線に並べ、それぞれを「光ピンセット」と呼ばれる、非常に焦点を絞った小さな光のビームの中に保持しました。計算を実行するために、チームはまず原子を冷却し、既知の開始状態に設定します。次に、スイッチを切り替える操作に似た一連の操作を適用し、原子の状態を変化させます。決定的な課題は常に、最後のステップである「読み取り」にありました。従来のシステムにおけるこの読み取りプロセスは、原子に光を当てて光らせるものでした。この輝きは原子の状態を明らかにしますが、同時に光が原子を押し、しばしばトラップから脱出させてしまいます。原子が失われると、シーケンス全体を停止し、システムを最初からやり直さなければなりません。これは貴重な時間を浪費することになります。

これを解決するために、研究者たちは、特殊なガラス製のチップで作られた新しい種類のインターフェースを構築しました。このチップは、各原子から放出される光を集め、それを検出器へと直接導く、小さな目に見えないトンネルのような役割を果たします。光が非常に効率的に収集されるため、チームはごくわずかな光子（フォトロン）を検出するだけで、原子の状態を判断することができます。この穏やかなアプローチにより、原子は低温に保たれ、トラップ内に留まり続けます。チームは、これら10個の同一の原子を用いて、再充填することなく100回の同一操作を実行することで、このテストを行いました。その結果、100サイクル経過後も、原子は99.7パーセントの確率で存在していることが分かりました。この高い生存率により、システムは原子を再充配するための長い休止時間を必要とせずに、稼働し続けることができました。

結果として、劇的な速度向上が実現しました。チームは、1秒間に101回の計算サイクル、すなわち「量子回路イテレーションレート」を達成しました。原子が失われた稀なケースを考慮してデータを破棄した後でも、実効速度は毎秒74.8サイクルを維持しました。比較すると、同様の原子を用いた従来のシステムでは、10サイクル未満に制限されていました。研究者たちはまた、繰り返されたサイクルから収集された情報が、一貫しており信頼できるものであることも検証しました。100回の実行すべてから得られたデータを組み合わせることで、彼らは単一の実行よりもはるかに高い精度で原子の挙動を測定することができました。

この高速能力により、チームは「ランダム化ベンチマーク」として知られるコンピュータの品質に関する標準的なテストを、わずか13分で完了することができました。以前であれば、10個の原子アレイに対してこのテストを行うには、低速な再充填プロセスにより数時間を要していたはずです。実験の結果、原子は高いレベルの正確性を維持しており、操作は99パーセント以上の確率で正しく行われていることが示されました。研究者たちはまた、最も有用な情報を最短時間で得るために、彼らの手法を最適化できることも実証しました。読み取りプロセスの速度と、原子を安全に保つ必要性のバランスを取ることで、たとえ従来の手法が他のあらゆる面で完璧であったとしても、それらの手法よりも10倍以上速く情報を収集できる「スイートスポット」を見つけ出したのです。

この実験の成功は、著者らが「ボルケーノ（火山）」アーキテクチャと呼ぶ巧妙な設計に基づいています。これは、チップ上の光の経路が、密集した原子を検出器へとマッピングするように形成されていることを指します。このセットアップにより、各原子を個別に、かつ同時に読み取ることが可能になります。研究者たちは、光の収集能力の向上や冷却技術の高速化といったさらなる改善が進めば、この速度は最終的に毎秒数千サイクルに達する可能性があると考えています。これは、より複雑な計算や、リアルタイムでのエラー訂正への道を開くものであり、大規模な量子コンピュータの構築には不可欠な要素です。この研究は、原子そのものを改良しようとするのではなく、原子の「読み取り方」を変えることによって、この技術の新たなパフォーマンスのレベルを解き放つことができるということを証明しています。