数学を学ぶ子供のように、量子コンピューター (スーパーコンピューターを圧倒する問題を解決できる夢のマシン) を開発している科学者は、間違いを見つけて修正することを学んでいます。最新のステップで、チームは、問題を悪化させないことが保証されている量子ビット (またはキュービット) の設定でエラーを検出する方法を実証しました。このような「フォールト トレランス」は、厄介なキュービットを無期限に操作できるように維持するという壮大な目標に向けた必要なステップです。
テキサス大学オースティン校の理論計算機科学者である Scott Aaronson は、「これは本当のマイルストーンのようです」と述べています。 「誰かがこれを行うのは時間の問題だとわかっていました。」しかし、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の実験物理学者であるジョン・マルティニスは、新しい研究の著者が自分たちの行ったことを誇張しているのではないかと疑問を呈しています。 「これはとても素晴らしいステップです」と彼は言います。 「しかし、それはほんの一歩です。」
従来のコンピューターは、0 または 1 に設定できる小さな電気スイッチまたはビットを操作します。量子コンピューターは、0 と 1 を同時に設定できる量子ビットを採用しています。量子ビットは、たとえば、2 つの異なるエネルギー状態を持つ超伝導金属の小さな回路である場合があります。または、個々のイオンが一方向、他方向、または同時に両方向にスピンします。このような双方向同時状態のおかげで、量子コンピューターは、特定の問題に対する潜在的な解決策のすべてを、量子ビットをスロッシングする量子波としてエンコードできます。干渉は間違った解決策を打ち消し、正しい解決策が現れます。このような技術により、大規模な量子コンピューターは、通常のコンピューターでは困難な巨大な数をすばやく因数分解できるようになり、インターネット上の情報を保護するために使用される暗号化スキームを破ることができます。
ただし、わずかな干渉でもキュービットのデリケートな状態が損なわれる可能性があります。キュービットが通常のビットのようなものである場合、研究者は単にその冗長コピーを作成し、過半数を数えて適切な状態を維持することができます。コピーが反転した場合、ビットのさまざまなサブセットを合計すると (いわゆるパリティ チェック)、どれがどれであるかが明らかになります。しかし、量子論では、あるキュービットの状態を別のキュービットにコピーすることは禁じられています。さらに悪いことに、量子ビットを測定して正しい状態にあるかどうかを確認しようとすると、0 または 1 に崩壊します。
研究者は、エンタングルメントと呼ばれる量子接続を利用することで、これらの問題を回避しています。これにより、最初の「論理」キュービット (最終的に目的の操作を実行するもの) の状態を複数の物理キュービットに分散させることができます。したがって、たとえば、1 つのキュービットの 0 と 1 の状態は、3 つすべてが 0 であると同時に 3 つすべてが 1 である状態で 3 つのキュービットに拡張できます。パリティ チェックの量子的等価物であり、補助キュービットを測定して、メイン キュービットに触れることなくエラーを検出します。
実際には、開発者はビット フリップとフェーズ フリップとして知られる 2 つの異なるタイプのエラーから保護する必要があるため、スキームははるかに複雑です。それでも、科学者たちは進歩を遂げています。 6 月に、超伝導量子ビットを使用する Google の研究者は、論理量子ビットを 10 個の付属子を持つ 11 個もの物理量子ビットに分散させると、いずれかのタイプのエラーの発生を減らすことができるが、同時に両方を減らすことができないことを示しました。
今回、メリーランド大学 (UMD) の物理学者である Laird Egan と Christopher Monroe とその同僚は、さらに一歩進んで、両方のタイプのフリップを同時に修正するスキームを実証しました。彼らのキュービットは、チップ表面の電磁場に閉じ込められた個々のイッテルビウムイオンで構成されています。チームは 9 つのイオンを使用して単一の論理量子ビットをエンコードし、さらに 4 つの補助的なイオンを使用して主要な量子ビットを監視しました。
最も重要なことは、エンコードされた論理量子ビットは、少なくともいくつかの点で、それが依存する物理量子ビットよりも優れたパフォーマンスを発揮したことです。たとえば、研究者は、99.67% の確率で論理 0 または論理 1 状態を準備することに成功しました。これは、個々のキュービットの 99.54% よりも優れています。 「[論理] キュービットの品質が、それをエンコードするコンポーネントよりも優れているのは、これが初めてです」と、イオンベースの量子コンピューターを開発する会社 IonQ の共同創設者であるモンローは言います。
しかし、Egan は、エンコードされたキュービットがあらゆる点で個々のイオンを凌駕したわけではないと指摘しています。代わりに、真の進歩はフォールト トレランスの実証にあると彼は言います。これは、エラー修正機構が、修正するよりも多くのエラーを導入しないように機能することを意味します。 「耐障害性は、実際にはエラーの拡散を防ぐ設計原則です」と、現在 IonQ に勤務している Egan 氏は言います。
ただし、Martinis はこの用語の使用について質問します。真のフォールト トレラント エラー訂正を主張するには、研究者は他に 2 つのことを行う必要があると彼は言います。彼らは、物理量子ビットの数が増えるにつれて、論理量子ビットのエラーが指数関数的に小さくなることを示さなければなりません。そして、論理量子ビットを維持するために、補助量子ビットを繰り返し測定できることを示さなければならない、と彼は言います。
Egan は、これらが UMD と IonQ チームの明らかな次のステップであることに同意します。彼は、エンコードされた論理量子ビットがあらゆる点で基礎となる物理量子ビットを上回る段階に到達するには、物理量子ビットがそもそも十分に低いエラー率を持っている必要があると述べています。 「それが実現すれば大きな結果になるだろうし、誰もがそれを求めている」とイーガンは言う。 「しかし、それはまだ起こっていません。」
