Pasqal の 256 量子ビットプロセッサー、理論が予測しなかった量子磁石の緩和の遅れを発見

Pasqal 主導のプレプリントは、256 個の中性原子からなる 2 次元量子磁石で予想外の緩和の遅れを報告した。この領域では 3 つのテンソルネットワーク手法が精度を失う。

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Pasqal は、同社の 256 量子ビット中性原子プロセッサーが、現在の理論では予想されていなかった 2 次元量子磁石の振る舞いを明らかにしたと発表した。Flatiron Institute の Center for Computational Quantum Physics、アウクスブルク大学、Forschungszentrum Jülich、レーゲンスブルク大学、Institut d'Optique–CNRS と共同でまとめたプレプリントで、研究チームは、特定の条件下では磁石が急な摂動の後に落ち着くまで予想よりはるかに長い時間がかかり、その領域では主要な古典シミュレーション手法同士の結果が一致しなくなると報告している。

発表内容

Pasqal は 10 月 27 日にこの結果を発表し、論文 Exploring the Relaxation Landscape of a 2D Quantum Magnet on a 256-Qubit Processor を arXiv で公開した。同社はこれを、既知の物理を再現するために量子プロセッサーを使う段階から、研究者が予想しなかった振る舞いを発見する段階への転換と位置づけている。この研究は、同じ装置が実在の磁性結晶の振る舞いを再現した以前の研究に続くものだ。

技術的な詳細

実験では 256 個のルビジウム 87 原子を 16×16 の正方格子に配置し、各原子の基底状態とリュードベリ状態を量子ビットとして用いた。システムは磁性の基準モデルの 1 つである 2 次元横磁場イジング模型をシミュレートした。研究者は完全に偏極した状態から出発してハミルトニアンを急に切り替え（「クエンチ」と呼ばれる）、横磁場と相互作用の強さの比を変えながら相関がどのように緩和するかを観測した。

3 つの領域が見つかった。比が約 2.5 の動的相転移の近くでは、系は速やかに熱化した。6.0 の強い磁場では、有効的な XY 型模型で記述される長寿命の前熱化プラトーにとどまった。中間の 3.5 では緩和が著しく遅くなり、相関は通常の時間スケールよりずっと長く熱平衡値から離れたままだった。著者らは、この遅れについてまだ明確な説明はないと記している。

データを検証するため、チームは 3 つのテンソルネットワーク手法、すなわち 2 次元テンソルネットワーク、行列積状態、ツリーテンソルネットワークと比較した。3 つとも初期にはプロセッサーと一致したが、その後は測定結果からも互いからも外れていった。プロセッサーの結果は系のサイズを大きくしても一貫していた。ノイズのモデル化、測定誤りの補正、5×5 格子での厳密シミュレーションはいずれも、この遅れがハードウェアの不具合ではなく多体物理を反映しているという結論を裏づけた。

なぜ重要か

相互作用する量子系が 2 次元で平衡から遠く離れた状態からどう緩和するかは難しい未解決問題であり、アナログ量子シミュレーターが役立つと期待されているのはまさにこの種の問いだ。Pasqal と共同研究者は、この研究が量子計算上の優位性を示すものではないと明言している。むしろ、理論や古典的な数値手法が苦戦する領域で、こうしたプロセッサーが補完的な科学ツールになりうる証拠として示している。

Pasqal の CTO である Loïc Henriet 氏は「私たちは既に知っていることを再現しているだけではなく、予想していなかった振る舞いを発見している」と述べた。

今後の注目点

論文はプレプリントであり、今後は査読と、実験・計算の両面から他のグループがこの遅れを説明しようとする取り組みが焦点となる。著者らは、自らが挙げた未解決の問いに取り組むうえでリュードベリ原子アレイが重要なプラットフォームだとし、コヒーレンス時間の継続的な改善によって、有限サイズおよび有限時間のスケーリングの系統的な解析が可能になると述べている。