2つの研究チームが、それぞれ50以上の量子ビットを含む世界最大の公開量子シミュレータ（量子コンピュータの一種）を作成した。これは、従来のスーパーコンピュータでは実行できない物質間の複雑な相互作用をモデル化するものである。
量子シミュレータは、量子ビット（従来のコンピュータで用いられるビットの量子版）で構成される、限定的なタイプの量子コンピュータです。量子ビットでは、0と1の状態が同時に重ね合わせの状態になることがあります。汎用的な量子コンピュータではなく、量子磁石などの特定の状況しかシミュレートできません。つまり、Crysisをプレイすることはできません。
メリーランド大学と米国国立標準技術研究所の物理学者グループは、金コーティングされた電極を用いて53個のイッテルビウムイオンを捕捉することでこれを実現しました。ハーバード大学とマサチューセッツ工科大学（同じく米国）の2番目のチームは、レーザービームを用いて51個のルビジウム原子を制御しました。この2つの独立した研究結果は、木曜日にネイチャー誌に掲載されました。
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イッテルビウムイオンは基本的に磁石のように振る舞います。すべて同じ電荷を持ち、互いに反発し合います。互いに押し合うと、電極によって発生する電界によって再び引き寄せられます。反発力と引力は互いに釣り合い、イオンは磁石の極のように均一に整列します。
ルビジウム原子も同様の状況ですが、電荷を持たないため、まずレーザーによって同じ状態に強制されます。次に、2番目のレーザーパルスによってルビジウム原子は磁石のように振る舞います。この場合、すべての量子ビットが同じ方向を向いて強磁性体のように振る舞うか、異なる方向に散乱して全体として磁化されないかのいずれかになります。
研究者たちは、レーザービームと電場の強度を変化させることで両方の量子シミュレータを操作し、異なる条件下でどのような秩序が維持されるかを調べました。これにより、量子ビットの磁性体が様々な状態においてどのように自己組織化するかを観察することができました。
本研究の共著者であり、NISTの理論物理学者であるアレクセイ・ゴルシュコフ氏は、「量子シミュレーションは、量子コンピュータの最初の有用な応用の一つであると広く考えられています。これらの量子シミュレータが完成すれば、量子回路を実装し、最終的にはこのようなイオンチェーンを多数量子接続することで、より幅広い応用範囲を持つ本格的な量子コンピュータを構築できるようになります」と述べています。
量子シミュレータの大型化は、量子ビットの追跡と制御が困難になるにつれて困難になります。筆頭著者でありメリーランド大学のポスドク研究員であるJiehang Zhang氏は、このシステムを100個以上のイオン量子ビットに対応できるように改良できると考えています。その段階に到達すれば、科学者は「量子化学や材料設計」におけるより困難な問題をモデル化できるようになる可能性があるとZhang氏は結論付けています。®
