CoherentのPaladinレーザを使用したトラップイオンベースの量子コンピューティング

量子情報技術は、量子力学の独自の原理を活用して、古典的なシステムの手の届かない問題を解決することで、コンピューティング、暗号、センシング技術に革命を起こす可能性があります。1980年代にリチャード・ファインマンが量子力学を使用して計算するという最初のアイデアの後、ピーター・ショアが現代の暗号の基礎を形成する大きな数字をファクタリングするためのアルゴリズムを導入した1994年に、公共の関心が高まりました。彼は、量子アルゴリズムが古典的な方法よりも指数関数的に高速に動作し、最新のRSA暗号化を破ることを示した。この期間以降、技術の進歩が加速し、さらなるアルゴリズムとアプリケーションが開発され、その可能性は科学と産業の進化を推進しました。今日の金融市場アナリストは、量子コンピューター開発のための世界的な連邦政府の資金とスタートアップ企業の増加に関連して、数十億ドルの市場規模を予測しています。

量子コンピュータでは、計算能力は主に量子の重ね合わせと絡み合いに基づいており、従来のコンピュータよりもはるかに速く、より効率的に複雑な問題を解決します。基本的な情報単位は、原子のような量子システムのエネルギーレベルで符号化され、古典的なビットとは対照的に0と1の間の任意の重ね合わせでもよい量子ビットで表されます。量子コンピュータを実装するための現在最も有望なプラットフォームの1つは、閉じ込められた原子イオンに基づいています。この分野における先駆的な研究は、クリストファー・モンロー博士から30年以上にわたって行われてきました。デューク大学の電気・コンピュータ工学・物理学部の教授、デューク量子センターのディレクター、業界リーダー で量子コンピューティングの最初の公開企業であるIonQの共同創設者兼チーフサイエンスアドバイザーです。

イッテルビウムイオンによる量子計算

彼の最先端の技術により、現在では、イオン化プロセス、レーザ冷却のためにレーザ光によって光学的に操作される最大80個の単イオンのイオンチェーンをトラップし、クビット遷移をコヒーレントに動作させることが可能です。イッテルビウムは、さまざまな原子種の中で、171Yb+にイオン化したときに水素のような電子構造を提供し、市販のレーザ光で駆動できる原子転移を特徴としています。原子のスピン構造により、超微細接地状態は無限に長いコヒーレンス時間を持つクロック状態を提供し、計算のキュービットとして理想的です。モンロー博士は、マイクロ波光源で約12.642812429 GHzのこの遷移を直接駆動する代わりに、355 nmのレーザ波長で刺激された2光子ラマン遷移を使用しています。これは、マイクロ波 場と比較してレーザ場の電界勾配が高いほど、運動状態の制御を可能にするチェーン内の単一イオンに運動量を容易に伝達することができるためです。これらのラマン遷移を、カスタマイズされたシーケンスで多くのイオンに適用することで、イオンのクロック量子ビットをその動きと結合し、絡み合いを生成できる量子ゲートを作成します。シングルキュービット演算とともに、ユニバーサル量子コンピューティングのセットを提供します。

パラジンレーザによるキュービットの完全なコヒーレント制御

制御されたキュービット回転には、2つのラマンビーム間の光コヒーレンスが必要です。Monroe博士は、位相コヒーレンスを維持するために高い技術要求を必要とする2つのcw位相ロックレーザを使用する代わりに、作業にモードロックレーザを使用する先駆者であり、CoherentのPaladinレーザは完璧に適合していました。ピコ秒パルス幅のモードロックレーザとして、すべてのコーム歯の固有相対位相コヒーレンスを持つ光周波数コームとして使用されます。Paladinレーザは、2本のオーバーラップしたコーム歯の干渉によってクビットの遷移を駆動し、クビット分割でビートノートを生成します。ビートノートは、Paladinレーザのフリーラン繰り返し速度に依存するため、キュービット遷移と共鳴するために位相ロックする必要があります。論文「量子情報処理のためのモードロックレーザのビートノート安定化」では、モンロー博士が繰返し速度を安定化する方法、つまり、信号をPaladinレーザシステムに直接結合することなく、量子ビット遷移の共鳴に対するビートノートを示しています。代わりに、2つのコーム歯間のビートノート周波数は、音響光学変調器で測定された繰り返し速度のドリフトを修正するフィードフォワード位相ロックで安定化されます。

平均出力4WのPaladinレーザは、適切なビームステアリング光学系が付属している場合、システムで処理される数百のイオンをサポートするのに十分な出力を提供します。ビーム強度とビームポインティングの変動が外部で安定化するにつれて、キュービット遷移のコヒーレンスを維持するためのさらに重要なビームパラメータ。Paladinレーザシステム外の3つのパラメータすべての安定化により、トラップイオンによる量子計算における技術的に要求の高いコヒーレント量子ビット制御に産業用レーザを適用できることが証明されています。

業界で実証済みのレーザの信頼性

Paladinレーザは、任意の量子計算の実行において中心的な役割を果たすため、信頼性は適用性とともに最も重要な要因です。量子コンピュータの研究は、量子物理学関連のハードウェアの開発に基づいており、定期的な再アライメントを必要とする不安定なレーザ性能に苦しむ複雑なラボセットアップによって支配されていました。今日、課題となっているのは、安定して信頼性の高いレーザシステムを組み込んだ市販の産業用製造システムに拡張するシステムのエンジニアリングです。Paladinレーザは、比較的シンプルでありながら、非常に信頼性が高く、高出力で安定した産業用レーザとして、これらの要件を満たしています。これは、Coherent内で信頼性の高いUVレーザを構築してきた長年の経験に基づく実証済みの技術の一例であり、モンロー博士はレーザのトラブルシューティングに時間を費やす代わりに量子アルゴリズムとシミュレーションの実行に集中することができます。

Coherent Paladinレーザは、将来の商業的に有用な量子コンピュータに統合された究極のレーザではないかもしれませんが、その業界グレードのコンセプトは、今日の量子コンピュータのエンジニアリングをサポートしています。実際、多くのIonQ商用量子コンピュータシステムは、Coherent Paladinレーザを心臓に搭載しています。閉じ込められたイッテルビウムイオンを用いた量子コンピューティングの中心的な動作要素として使用された場合、レーザの優れた信頼性により、この成功モデルは、波長532 nmのパラジンレーザとよく適合するバリウムイオンなど、量子計算用の他の原子種にも適用できるようになりました。

参考文献

1. R. Islam, W. C. Campbell, T. Choi, S. M. Clark, S. Debnath, E. E. Edwards, B. Fields, D. Hayes, D. Hucul, I. V. Inlek, K. G. Johnson, S. Korenblit, A. Lee, K. W. Lee, T. A. Manning, D. N. Matsukevich, J. Mizrahi, Q. Quraishi, C. Senko, J. Smith, C. Monroe Beat 量子情報処理用モードロックレーザの安定化に関する注記 Optics Letters, 39, 11 (2014)