1994 年、当時ニュージャージー州のベル研究所にいた数学者ピーター ショールは、量子コンピューターには古典的なマシンよりも指数関数的に速くいくつかの問題を解決できる能力があることを証明しました。問題は、それを構築できるだろうかということでした。懐疑論者は、量子状態は繊細すぎると主張しました。環境によって量子コンピューター内の情報が必然的に混乱し、量子コンピューターがまったく量子ではなくなる可能性があります。
1年後、ショールは返答した。古典的な誤り訂正方式では、個々のビットを測定して誤りをチェックしていましたが、そのアプローチは量子ビット、つまり「量子ビット」には機能しません。なぜなら、いかなる測定も量子状態、ひいては計算を破壊してしまうからです。ショールは、量子ビット自体の状態を測定せずにエラーが発生したかどうかを検出する方法を考え出しました。ショールのコードは、量子誤り訂正分野の始まりを示しました。
畑が栄えてきました。ほとんどの物理学者は、これが非常に強力な量子コンピューターを構築するための唯一の道であると考えています。カリフォルニア工科大学の物理学者、ジョン・プレスキル氏は、「量子コンピューターなしでは、本当に難しい問題を解決できるほど量子コンピューターをスケールアップすることはできません」と述べています。
量子コンピューティング一般と同様、エラー訂正コードを開発することと、それを動作するマシンに実装することはまったく別のことです。しかし、10 月初めに、メリーランド大学の物理学者、クリス モンローが率いる研究者らは、ショールのような誤り訂正回路を実行するために必要な要素の多くを実証したと報告しました。
では、ショールはどのようにして直面した難題を解決したのでしょうか?彼は量子力学の複雑性を有利に利用しました。
繰り返し繰り返し繰り返し
ショールは、古典的なリピーター コードに倣ってプロトコルをモデル化しました。これには、情報の各ビットのコピーを作成し、それらのコピーを定期的に相互にチェックすることが含まれます。ビットの 1 つが他のビットと異なる場合、コンピュータはエラーを修正して計算を続行できます。
ショールはこれの量子バージョンを設計しました。彼は 3 つの個別の「物理」量子ビットを使用して、情報の単一量子ビット、つまり「論理」量子ビットを符号化しました。ただし、ショールの量子リピーター コードは、古典的なバージョンとまったく同じであることはできません。量子計算の本質的な力は、量子ビットが同時に 0 と 1 の組み合わせである「重ね合わせ」で存在できるという事実から来ています。量子状態を測定すると重ね合わせが破壊されるため、エラーが発生したかどうかを確認する簡単な方法はありませんでした。
その代わりに、彼は 3 つの物理量子ビットが互いに同じ状態にあるかどうかを確認する方法を見つけました。量子ビットの 1 つが異なっていた場合、エラーが発生したことを示します。
このタスクは、単純な論理パズルを解くことに似ています。同じように見える 3 つのボールが与えられますが、そのうち 1 つのボールの重さが異なる場合があります。簡単な天秤もあります。どのような測定値を使用すれば、混合物に奇妙なものが含まれているかどうか、また、存在する場合はどれであるかを判断できますか?
サミュエル・ベラスコ/クアンタ・マガジン
答えは、まず 2 つのボールを選んで重さを比較し、次にそのうちの 1 つのボールを残りのボールと交換して再度確認することです。両方ともスケールのバランスが取れていれば、すべてのボールは同一になります。一度だけバランスが取れた場合、交換されたボールの 1 つが奇数のアウトになります。どちらの場合もスケールのバランスが崩れている場合は、静止したボールが原因です。
Shor のコードは、スケールを 2 つの追加の「補助」量子ビットで置き換えます。これらの最初のものは、最初と 2 番目の物理量子ビットを比較します。もう 1 つは 2 番目と 3 番目を比較します。これらの補助量子ビットの状態を測定することで、情報を含む 3 つの量子ビットが、いずれの状態も乱すことなく同一の状態にあるかどうかを知ることができます。
このコードは、古典的なコンピューティングで発生する可能性のある唯一のエラーであるビット フリップから保護します。しかし、量子ビットにはもう 1 つ潜在的なエラー源があります。
重ね合わせは量子コンピューティングの鍵ですが、重要なのは量子ビットの値だけではありません。量子ビット間の相対的な「位相」も重要です。このフェーズは波と考えることができ、波の山と谷の位置がわかります。 2 つの波の位相が一致すると、その波紋は同期します。それらが衝突すると、建設的に干渉し、サイズが 2 倍の単一の波に統合されます。しかし、波の位相がずれていると、一方の波が最高点にあるとき、もう一方の波は最下点にあり、互いに打ち消し合います。
