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【トピック】東京大学が新型量子コンピューターを今秋に導入の見込み(IBM社製)

(写真は従来の基盤の写真です)

以下投稿の内容は2023/04/22の
日経新聞記載の情報メインです。
現代の情報だと考えて下さい。

新聞記事を離れた所で冷静に考えていくと
税金の使い道の話でもあります。

日本国民の皆様が一緒になって考えて、
出来れば知恵を出し合えたら
より良い展開に
つながる類の話題なのです。しかし、
実のところ、大多数の日本国民は
「量子コンピュータ?言葉は聞くけれども…」
って感じで内容が議論されていません。
議論を喚起しましょう。

本記事では私論を中心に語ります。但し、
記載した量子ビット数は何度も確認しています。

ニュースのアナウンサーも語れる内容が少ない
のでしょう。
そんな中で東大本郷キャンバスでは
記者会見が開かれ、IBM社のフェローが
「有用な量子コンピューターの世界がすぐそこまで来ている」
と語っています。

物理学を専攻していた私でも多分野において下調べが必要です。
当面、「ラビ振動」、「共振器と量子ビットの間の空間」
「ミアンダの線路」、「量子誤り訂正」といった概念を
改めて理解し直さないと最新の性能が評価できません。

特に理化学研究所に導入された機種は
色々な情報が出ていて教育的です。対して
東大が導入するIBM社製の量子コンピューターは
トヨタ自動車やソニーグループなど日本企業12社での
協議会による利用を想定していて、
利益享受を受ける団体が限られています。
今後の課題として利用の解放(促進)が望まれます。 

東京大学が川崎拠点に導入

既に27量子ビットを導入している川崎拠点に今年の秋に
127量子ビットの新鋭機を導入する予定です。
経済産業省は42億円の支援を通じて計算手法等の
実用面へ向けての課題を解決していく予定です。

一例としてJSR(素材メーカー)が「半導体向け材料の開発」
を想定して活用する方針を打ち出しているようですが
具体的にプロジェクトに参加する事で得られるメリットを
明確にする作業は大変そうです。

現時点での量子コンピューターの国内体制

報道では「量子ビット」の数に着目した表現が多いです。
実際に理化学研究所では2023年の3月に64量子ビットの
装置を導入して研究を進めています。

また、英国のオックスフォード・クァン・サーキッツ
は都内のデータセンターに今年の後半に量子コンピューター
を設置予定で外部企業の利用も想定しています。

対して米国のIBMでは433量子ビットのプロセッサーが開発
されていて、2023年度中には1000量子ビットの実現、
2025年度には4000量子ビット以上の実現を計画しています。 

EV電池開発に革新的貢献ができるか

一例としてIonQ社とHyundai Motor社は共同で
量子コンピューターに対する
バッテリー化学モデル
を開発しています。(2022年2月発表~)

実際に同社は新しい変分量子固有値ソルバー法
(VQE:Variational Quantum Eigensolver)を共同で開発してます。
開発目的はバッテリー化学におけるリチウム化合物や
化学的相互作用の研究への適用です。

 特定の最適化問題を解決するVQEは原理的に
量子コンピューターと親和性が良いです。
変分原理を使用し、ハミルトニアンの基底状態エネルギー、
動的物理システムの状態の時間変化率を考えていくのです。
計算上の限界で、既存システムでは精度に制約がりました。

 具体的に酸化リチウムの構造やエネルギーのシミュレーション
に使用する、量子コンピュータ上で動作可能な
バッテリー化学モデルを共同開発しています

リチウム電池の性能や安全性の向上、コストの低減が進めば
EV開発における最重要課題の解決に向けて効果は大きいです。
【実際、EV価格の半分くらいはバッテリーの価格だと言われています】

ハイブリット英会話スタイルで伸ばす「アクエス」
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2023/04/23_初稿投稿

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【トピック】超伝導コプレーナ型伝送線路(量子コンピューターの基礎技術|人口原子と電磁波の相互作用)

超伝導コプレーナ型伝送線路

今日の私は少し考えすぎてます。
本ブログを書いて少しリセット。
以前に見たYouTubeでコプレイナーのライン(回路?)と
ミアンダのライン(回路?)を懸案にしていて
別論文で又出てきて困っていたのです。
本稿は何度も加筆します。量子コンピュータ関連の技術ですが、
ざっくり話がまとまらない状態ですので。
投稿日にはお味噌汁を飲むつもりのタイミングで
インスタントコーヒーを味噌汁茶碗にいれいて
自分でびっくりしていました。はぁ。あほや。

考えているのは2010 年にNECチームが発表していた研究です。

コプレイナー型の回路は量子ビットと結合できる回路です。
コプレイナー型送波路自体が超伝導体で作られていて
超電導体の量子ビットと結合します。加えて
共鳴する役割を持ちます。

「1 次元導波路としての超伝導コプレーナ型伝送線路に

結合した量子ビットが,その共鳴周波数において

導波路上のマイクロ波微小信号を完全反射する。」

超伝導量子ビット研究の進展と応用(中村)/ 総合報告
より引用(太字部|以下同様)】

新しい私の知見として超伝導体で信号が伝わると

(情報の)伝送線路に超伝導独特の現象が生じるのです。

人口原子と電磁波の相互作用

光子との反射関係が大事です。

「1 次元導波路は伝搬モー ドの電磁波を扱うのに

最適な舞台である.量子ビットあるいは 量子ビットが

結合した共振器を導波路の終端に接続すると, 

マイクロ波の単一光子生成が可能になる.」

数メートルクラスの大きさになる低温チャンバー内での

超電導状態におけると超伝導コプレーナでの電子挙動と

そこから室温の操作部へと伸びていく導線での挙動を想像して下さい。

ここで重要なのは「単一」光子が生成されるという部分でしょう。

 

結果として次の2つの状態が観測にかかります。位相反転です。

(|+>=|0>+|1>、⇒|ー>=|0>ー|1>

つまり位相反転で入射モード中での光子の存在を観測します。

NICTのレポートなどを見て人口原子と電磁波の相互作用を学んでます。

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2023/04/16‗初稿投稿
2023/05/06‗改訂投稿

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【書評】太田浩一著「ほかほかのパン」(ネーター・ランジュバン・ケプラー・他を収録)

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この本のタイトルが暖かいですね。
タイトルの「パン」とはエミー・ネータの
人柄を表していて、
その章は「普遍変分問題」
を考えていた女性数学者の物語です。
ネータは「近代数学の母」とも呼ばれて

「食べないと数学が出来ないじゃないの」

なんて語る。暖かい人でした。
「エミー・ネータは一塊のパンのように温かかった。
彼女からは、おおらかな、元気づけるような、
生き生きとした温かさが輝き出ていた。」
【太字部は本文から引用しました。】
このネータを含めて
以下物理学者を紹介しています。

 

【目次】
光の波動方程式を発見‐マッカラー
マクスウェル方程式を評価‐ヘヴィサイド
電磁波生成の考えを生んだ‐フィツジェラルド
電磁気学・統計力学の創設‐マクスウェル
古典物理の最後の伝道者‐ケルヴィン卿
一塊りのパンのように温かい‐エミー・ネーター
貧困からなりあがった‐ディーゼル
マリー・キュリーとの小さな恋‐ランジュヴァン
量子力学の基礎考察:AB効果‐Dボーム
行列力学・不確定性原理確率‐ハイゼンベルク
謙虚な人生‐ヘンリー
4元数を残した酒で終わる人生‐ハミルトン
社会数学を提唱‐コンドルセー
放浪の孤高の天文学者‐ケプラー
コンピューター科学の先駆者‐テューリング
ろうそくの科学でクリスマスレクチャー‐ファラデイ

以上、美しい文は心を洗い貴方を成長させていきます。
そして、人柄が伝わってくる文章は暖かいです。
是非読んでみて下さい。アマゾンでお試し読みをするだけでも
何となく貴方の人生が変わる気がしますよ。お勧めです。

 

 

 

 

 

 

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2023/04/14_初稿投稿


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【Topics】量子コンピューターの原理における回路量子電磁力学(特に超伝導共振器)

(写真は従来の基盤の写真です)

理研の中村泰信さんの論文から

最近、中村さんに大変注目していて、そこから話を始めます。
特に最近稼働を始めた量子コンピューターを勉強している中で
私が今まで分かりづらかった情報読み出し機構について
明快に2021年の論文で解説をしています。

ジョセフソン接合

ユーチューブで公開されていますが、
理化学研究所導入の量子コンピュータでは
「線幅100nm~200nmのジョセフソン接合」
を使い量子ビットの回路を作り上げています。

ジョセフソン接合は具体的に超伝導体(例えばAL)
で絶縁体(例えばAL2O3)を挟みます。これを使い
従来型の回路であるLC共鳴回路を発展させていく
事が出来ます。いわば超電導状態で働くLC回路です。
【以下、応用物理‐第90巻より引用(太字部)】

超伝導体と超伝導体の間のトンネル接合であるジョセフソン
接合の寄与により,強い非線形性を導入することができる.
ジョセフソン接合は回路上で非線形なインダクタンス
として振
る舞う.

理化学研究所で導入している量子コンピュータを始めとして
世界中で今開発されているほとんど全ての量子コンピュータ
では回路量子電磁力学の考え方に基づき設計され、
コプレーナ型伝送線路、ミアンダの回路、超電導共振器
といった各種アイディアを応用しています。

超伝導共振器を使うアイディア

【以下、応用物理‐第90巻より引用(太字部)】
量子情報を非調和的な量子ビット回路に蓄えるのではなく,
超伝導共振器に蓄えようという アプローチである.
後者の利点として,ジョセフソン接合を必 要としないため,
電磁場モードが空間中に広がり表面・界面 欠陥の影響を
受けにくい 3 次元的な空洞共振器を用いるなどして,
量子ビットと比べて高い Q 値(=ω/k)すなわち長いコヒーレンス時間
を実現することが容易であることが挙げられる.加えて,
共振器中のデコヒーレンスは光子の損失によるエネルギー緩和
が支配的で位相緩和がほぼ無視できること,また調和振動子特有の
等間隔に並んだ多数のエネルギー準位によって形成される大きな
状態空間を用いた量子誤り訂正符号を実装可能 であることも利点である.
₍中略)
量子ビット状態の非破壊射影読み出し機構として,
こ の回路量子電磁力学のアイデアが使われている.すなわち,
量子ビットにそれとΔだけ離調した読み出し用共振器を結合させ,
量子ビットの状態に応じた読み出し用共振器の共鳴周波 数シフト
(分散シフト~(g^2) /Δ)を,読み出し用マイクロ波パルスの受ける
反射位相の変化として検出することによる
また、もともとの考えは
A. Wallraff, D.I. Schuster, A. Blais, L. Frunzio,
J. Majer, M.H. Devoret, S.M. Girvin, and R.J. Schoelkopf
等によって Phys. Rev. Lett. 95, 060501 (2005).にて議論
されていた内容です。中村氏がSQUIDなどと合わせて
全体像を解説してくれている中で紹介されています。
コヒーレンス時間は長いほど良くて、計算量の増加につながり
より複雑なアルゴリズムに対応した計算機を可能にします。
現状での課題は高速化(~100 ns)
・高忠
実度化(>99 %)・周波数多重化(~10ビット)。
(論文中引用55へ,論文中引用56へ).
また、関心のある表現として
「波長オーダで空間的に分布した相互作用が存在する場合」
を考えています。すなわち、波長オーダーをもった波動関数
が存在し、それが巨大原子として存在するのです。
「光と相互作用する超電導回路内での」作用です。
私はこの考えに教えられ、今まで見てきたユーチューブなどでの
量子コンピュータ基盤のパターンが納得出来るようになりました。
共振側の回路でのコヒーレント時間が確保できれば
実用上、量子コンピューターの計算が進められます。
コヒーレンス時間とは量子コンピュータを考えるうえで
非常に大事な概念で、量子的に考察した時の性能指標
と言えます。それはおおよそ0.1ナノ秒程度の
時間を目安に考えて下さい。この時間が
量子コンピュータでの計算では重要となります。
また
コヒーレント時間を私は
「(電源ではなく)情報に対するトランスミッター」といった
イメージで超伝導共振器を考えています。
超伝導共振器に情報を蓄えるのです。
共振を始めた時点で古典力学的な振り子運動がイメージ出来て
離散的な2準位系で|0>|1>という2つの状態(ケット)
が共振していくのです。重ねあわされた量子ビットの完成です。
また時間を作り、
量子コンピューターについて更に考えてみる積りですが、
こうした明快な論文を出来るだけ見つけていきたいです。
時は金なり。ありがたい時間です。
他、参考論文:
東京理科大・髙柳 英明「ナノテクノロジー分野別バーチャルラボ 」

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2023/04/14‗初稿投稿
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【書評】西尾茂子著「現代物理学の父ニールス・ボーア」

デンマーク


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今回ご紹介する書籍は数々の資料・調査に基づき
カッチリした内容を届けています。それでいて暖かい。
【以下で、本稿の太字部は同書からの引用とします】

(本書ではボーアに対して)
物理学者として最も優れ、
社会人として最も賢明で善良な一人の人物が
何を考え、何を行ったかをただ、記述しよう
としたに過ぎない。と著者は語っています。

私としては1921年3月3日を起点として
本書を読まれることをお勧めします。
広く知られた1925年からの論文ラッシュで
「量子力学」は数多くの人々が確立
していった分野ですが、その少し前に
デンマークでボーアが研究所を立ち上げるのです。
そのタイミングが1921年です。
コペンハーゲン大学理論物理学研究所の開設です。
現在の研究所へのリンク

そこでシュレディンガーが疲労困憊するまで議論して
病床でボーアに更に追い込まれる様子が描かれています。
また、ボーアがラザフォードを尊敬する様子、
パウリが坊弱無人とも言える追い込みをかける様子が
ありありと描き出され、何時までも
楽しめる資料となっています。

本書では暖かい人間観察と伝え方で
夫々の物理学者を描き出しています。
たとえば(ハイゼンベルグは)ボーアから
数学的形式化より前に物理的意味を
 把握する事の重要性を学んだのです。 
ボーアの魅力、ハイゼンベルグの魅力が伝わってきます。
例えばディラックの魅力を伝えている言葉をご紹介しましょう。
「他の人の仕事に口出しする事をしたことがない。
 彼の時間を無駄に費やすのではないかといつも心配した。
 私自身の時間を費やすことは何とも思わないが
 他の人の時間を無駄にしたくない。」(そう語るディラックは)
 非常に思いやりがあって、とても学閥など作る人ではなかった。
 コペンハーゲン精神を広めなかった別格の人である。
ディラックに対して尊敬と思いやりを込めた文章だと思います。


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2023/04/08_初稿投稿
2023/04/09‗改訂投稿

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