量子コンピューターが計算を実行できる速度を決定する要因は何ですか？ボン大学とテクニオン-イスラエル工科大学の物理学者は、この質問に答えるための洗練された実験を考案しました。研究の結果は、ジャーナルサイエンスアドバンシスに掲載されています。
量子コンピューターは、情報を処理するために量子力学の原理に依存する非常に複雑なマシンです。これにより、将来、従来のコンピューターでは完全に解決できない特定の問題を解決できるようになります。
しかし、量子コンピューターの場合でも、特定の時間に処理できるデータの量には基本的な制限があります。
量子ゲートは最小限の時間を必要とします：
通常のコンピュータに保存されている情報は、1と0の長いシーケンス、つまりビットと考えることができます。
量子力学では、すべてが異なります。情報は、一連の離散値ではなく、波に似た量子ビット（キュービット）に格納されます。物理学者は、量子ビットに含まれる情報を正確に表現したい場合にも波動関数について話します。
従来のコンピューターでは、情報はゲートと呼ばれるものによって相互接続されています。複数のゲートを組み合わせると、2ビットの加算などの基本的な計算を実行できます。
情報は、量子コンピューターで非常によく似た方法で処理されます。量子ゲートは、特定の規則に従って波動関数を変更します。
量子ゲートは、別の点で従来のいとこに似ています。「量子の世界でも、ゲートは無限に速く機能するわけではありません」と、ボン大学応用物理学研究所のアンドレア・アルベルティ博士は説明します。 「波動関数とそれに含まれる情報を変換するのに最小限の時間が必要です。」
70年以上前、ソビエトの物理学者であるレオニードマンデルスタムとイゴールタムは、波動関数のこの最小変換時間を理論的に導き出しました。ボン大学とテクニオンの物理学者は、複雑な量子系での実験を使用して、このマンデリシュタム-タム限界を最初に調査しました。
これを行うために、彼らは厳密に制御された方法で動くセシウム原子を使用しました。 「実験では、個々の原子を光のボウルの中でボールのように転がし、それらが動くのを観察します」と、実験研究を主導したアンドレア・アルベルティは説明します。
原子は、物質の波として機械的に量子的に説明することができます。彼らがライトボウルの底に移動すると、彼らの量子情報は変化します。研究者たちは、この「変形」をできるだけ早く検出する方法を知りたがっていました。そして、そのような時間は、マンデリシュム-タム限界の実験的証拠になるでしょう。
しかし、問題は、量子の世界では、原子の位置を測定するたびに、必然的に物質の波が予測できない方法で変化することです。そのため、どんなに速く測定しても、常に変形しているように見えます。 「したがって、ベースラインからの逸脱を検出するための別の方法を開発しました」とAndreaAlberti氏は言います。
この目的のために、研究者たちは物質的な波のクローン、言い換えれば、ほぼ正確な複製を作成することから始めました。
「高速光パルスを使用して、原子の2つの状態のいわゆる量子重ね合わせを作成しました」と研究の著者であるGalNessは説明します。 「比喩的に言えば、原子は同時に2つの異なる色を持っているかのように振る舞います。」
色に応じて、各原子双子はライトボウル内で独自の位置を取ります。1つは端が高く、そこから「ロールダウン」します。一方、もう一方はすでにボウルの底にあります。この双子は動かないので、波動関数は変わりません。
物理学者は定期的に2つのクローンを比較しました。彼らは、量子干渉と呼ばれる技術を使用してこれを行いました。これにより、波の違いを非常に正確に検出できます。これにより、物質波の大きな変形が最初に発生したのは何時かを判断することができました。
実験の開始時にボウルの底からの高さを変更することにより、物理学者は原子の平均エネルギーを制御することもできました。原則として正確な金額を決定することは不可能であるため、平均。したがって、原子の「位置エネルギー」は常に不定です。
「物質的な波が変化する最小時間は、このエネルギーの不確実性に依存することを実証することができました。不確実性が大きいほど、マンデリシュムタムの時間は短くなります」と科学者たちは言います。
これはまさに2人のソビエト物理学者が予測したことです。しかし、2番目の効果もありました。平均原子エネルギーを超えるまでエネルギーの不確実性がますます増加した場合、最小時間はそれ以上減少しませんでした-マンデリシュム-タムの制限が実際に想定したものとは反対です。
このように、物理学者は、約20年前に理論的に発見された2番目の制限速度を証明しました。したがって、量子世界の制限速度は、エネルギーの不確実性だけでなく、平均エネルギーによっても決定されます。
2021-12-25 23:29:20
著者: Vitalii Babkin