こんにちは、量子コンピュータ競争、海外には負けません！QuEraの新しい技術を深堀していきます。
リファレンス
Quantum phases of matter on a 256-atom programmable quantum simulator
Sepehr Ebadi, Tout T. Wang, Harry Levine, Alexander Keesling, Giulia Semeghini, Ahmed Omran, Dolev Bluvstein, Rhine Samajdar, Hannes Pichler, Wen Wei Ho, Soonwon Choi, Subir Sachdev, Markus Greiner, Vladan Vuletić & Mikhail D. Lukin
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03582-4
https://arxiv.org/abs/2012.12281
以前の投稿
概要はこちらを見てみてくださいませ。
米QuEra社の冷却原子マシンの概要について、その１
https://blueqat.com/yuichiro_minato2/cee2ebdc-0878-4da7-ae4f-e9b0c2003f7d
二次元の光ピンセット
冷却原子マシンの概要については以前の投稿で触れましたが、今回はさらに詳しく見ていきます。まず、レーザーの出力はイギリススコットランドのM Squared社の装置を使っているということです。
https://oceanphotonics.com/product/m2.html
そして、そのレーザー装置を通す空間位相変調器には日本の浜松ホトニクス社のSLMを採用。レーザーの波面をコントロールします。この波の位相？は、任意の光ピンセットを作るために、これまた日本のミツトヨの対物レンズをつかって、weighted Gerchberg-Saxton（WGS）アルゴリズムで計算されるそうです。
https://www.hamamatsu.com/jp/ja/index.html
これによって1000を超える光ピンセットを作ることができると。
引用：https://arxiv.org/abs/2012.12281
上記左側が光ピンセットで34x30の1000あまりの光ピンセットの様子。右側は実際にそこに原子を入れ込んだ時に543の原子がトラップされて、EMCCDカメラで撮影された様子。
ここでさまざまな調整をするそうです。さまざまな調整の結果は、元の論文のDATA FIG. 2.に載っています。
ここに、磁気光学トラップ（MOT）から読み込まれた原子を入れることで、500-600くらいの原子をトラップできるとのことです。
原子の並べ替え
読み込まれた原子はばらばらの状態なので、並べ替えをして計算できる状態に持っていく必要があるとのこと。上記のSLMでつくられた光ピンセットに重ね合わせるようにして、動かせる光ピンセットをつくるとのこと。
動的な光ピンセットは別のレーザー源をつかい、米国Photodigm社のDBR（分布反射型レーザー）をつかい、オーストラリアのMOG Labs社の増幅器を通されるとのこと。そして、独立制御された２つのフランスAA Opto社のAODで制御されます。
https://www.symphotony.com/manufacturers/photodigm/
http://www.aaoptoelectronic.com/
それぞれのAODは独自開発の波面生成ソフトウェアと、ドイツSpectrum Instrumentation社のAWGによって制御されるとのこと。高周波の周波数を動的に変更することによって複雑な制御が可能のようです。
https://spectrum-instrumentation.com/en
さまざまな原子の配列アルゴリズムがある中で、同時に複数を並べられるようなものを開発したとのこと。元の資料についても同時操作についていろいろ言及がありました。
再配列アルゴリズム
光ピンセットを利用した再配列アルゴリズムについても言及があります。
並べ替えの前の整理
原子の二次元配列において、原子を最初の光ピンセットでトラップするところはランダムに配置されるので、列によっては過剰な原子がトラップされたい、一方でほかの列は足りなかったりします。最初は上の図の１と２のステップのように、多すぎる列から足りない列へと列をまたいで原子を移動させます。繰り返しこの動作をするのですが、一般的にはこの動作は全体の原子の数に対してさほど発生回数は多くなく、通常は結構事足りるとのことで、この列をまたいだ操作が全体のパフォーマンスに影響したりすることはないようです。
余剰原子の排除
多すぎる列は下のほうに原子を移動させて一番下から除外するようです。上の図の３のステップに該当します。
列ごとの並列並べ替え処理
最後に列ごとに上に、下に原子を移動させて適切な場所に移動を完了させます。上の図の４から６に該当します。
並べ替えのパラメータや結果
この動的な移動する光ピンセットは75μm/msの速度で原子を移動させる。一般的にはこれらの操作は50-100msくらいで実効値的に完了。AODをSLMに重ねるのは、CMOSカメラで原子を撮影して位置を確認しながら調整するということです。一回の並べ替えで98.5%くらいの精度で並べ替えができて、これらの制限は真空の時間や操作の時間によって制約を受けるようです。本研究では、余剰量子ビットを外に出さず残したまま二回目のラウンドを行うなどの工夫で、99.2%の精度で200原子の操作をして、400msでやるなどの結果を達成しているとのこと。
リュードベリレーザーシステム
こちらは、配列の横から挟むようにかける、基底状態とリュードベリ状態を操作するレーザーですね。かなりマニアックになってきたので、この辺りは読みたい人が元の論文を読んでもらえると助かりますが、、、こちらは元のレーザーシステムを強化した形で、二つの波長のレーザーを米国Stable Laser Systemsのシリンダーや、ドイツToptica社のダイオードレーザーを使ってるとのことです。フランスのAzur Light Systems社のファイバー増幅器も使っているとのことです。
リュードベリビームシェーピング
これらのレーザーシステムからの光を求める形に変化させるようですが、アルゴリズムと機器を使って安定化させることが書いてありますが、マニアックで疲れましたので、興味ある人は読んでください。。。たぶん下の図のフラットにならないといけないところを改善している感じでした。。。
リュードベリパルス
原子を基底状態に初期化したら、一瞬光ピンセットを切ってリュードベリパルスを照射するとのことです。準断熱スイープや線形スイープなどがあるようです。このパルスは時間依存のラビ振動の周波数、時間依存のレーザー離調、相対瞬間位相？あたりのパラメータで制御されるようです。これらのパルスを使って求めたい状態へと状態を変化させるようです。
状態の特定
リュードベリパルスを当てたあとに、光ピンセットで再度原子をトラップできているか確認をします。99%程度の確率で再トラップできるとのこと。これはほかの原子との衝突や原子の有限温度による移動によってこの数字位になるようです。
リュードベリ状態の原子を正確に特定するために、強力なマイクロ波を照射する方法を採用したとのこと。マイクロ波源として、米国スタンフォードリサーチシステムズ社のものを、Mini Circuit社の製品で増幅されているとのこと。
まとめ
慣れない分野なので疲れました。専門の人お願いします。基本的には磁気光学トラップ、光ピンセット、初期状態のならべかえが発生し、そろったところで光ピンセットを解除してリュードベリパルスを照射、その後再度光ピンセットでトラップして結果を取得というプロセスでした。ソフトウェアの計算は気軽なものですね。ハードウェアは複雑です。
以上です。