量子プロセッサ、信頼性目標の99.9%を達成

Tiffany Trader

カリフォルニア大学サンタバーバラ校(UCSB)の物理学者は、物理学とコンピューティングの両方の聖杯として長い間みなされていた「完全に機能する量子コンピュータ」と言われるものに向けて大きな前進を遂げている。

そのヒトデ型エレメントは、線形配列に配置されたtransmon量子ビットのXMON変異体(チームによって名付けられた)である。

UCSBの物理学教授、John Martiniの敬愛された研究室からのチームは、超伝導qubitの信頼の新しいレベルを実証し、大規模な耐障害性量子回路への道を切り開いている。研究の詳細は、Nature誌の今週号に掲載されている。

量子コンピュータは、今日の最速の計算機と比べて想像を絶する高速化が見込まれるが、この段階では、技術は量子状態の脆弱な性質に基づく信頼性の問題に苦しんでいる。

量子力学の奇妙な法則と重ね合わせと呼ばれる現象のおかげで、qubit(「量子ビット」)は、一度に複数の状態で存在することができる。代わりに、古典的なビットのように1または0に任せる代わりに、qubitは1と0とその間のすべての点を表すことができる。qubitで構成されたコンピュータでは、このように、並列性が内在し、理論的に同時に複数計算を行うことが可能である。けれど、qubitの問題はその不安定さにある – qubitはとても早くその状態を「忘れる」傾向がある。量子もつれを用いた多数のqubitの間の論理状態を分散させた量子エラー訂正は、その状態を保護するための長い道のりを行くことになるが、今までの忠実な目標は、依然として99％の目標を満たしていない。今週のNature誌で、UCSBの物理学者がエラー訂正を実行可能にするために十分な精度で動作する小さな量子コンピューティング•アレイを作成したことを報告している。

「量子のハードウェアは、古典的なハードウェアと比較して非常に非常に信頼性が低いです。」とその理論的研究で実験を促す物理学部門のスタッフ科学者、Austin Fowlerは指摘する。 「最高の最先端ハードウェアでさえも信頼できません。私たちの論文は、初めて信頼性に達したことを示しています。 」

5つの超伝導qubitを線形配列状に配置した構成の実験システムは、99％の精度の閾値を越えるその種の最初のものであり、さらに大きな量子配列のための場を設定する。チームは、単一qubit論理回路によって99.92%、2qubit論理ゲートによって99.4%の平均忠実度を達成した。エラー訂正は、最近傍カップリングと急速循環交絡ゲートに基づいた表面コードアプローチで実装された。

「理論的研究によって動機付けされ、私たちは前進するために何をすべきかについて本当に真剣に考え始めました。」とUCSBの物理学科教授、John Martinisは言う。 「それがいかに簡単であったと言うことを把握するために私たちはしばらく時間がかかりました。そしてシンプルで、最終的には、本当にベストでした。 」

UCSBチームの超伝導マルチqubitプロセッサは、それに与えられた任意のアルゴリズムを処理することができる 「ユニバーサル量子コンピュータ」のための代表的なアーキテクチャである。これは、最適化問題と呼ばれる特定セットのタスクを解くことだけに優秀なカナダの会社のD-Wave製の量子アニーリングマシンとは対照的である。

この重要な閾値を超えたチームは、システムを拡張しながらもエラーの削減に努めている。実用的な量子コンピュータは遥か未来だろうか？

「もし、量子コンピュータを構築したいと思うなら、このようなqubitの2次元配列を必要とし、誤り率が1パーセント未満であるべきです。」とFowlerは説明する。「もし、1桁低いものを得ることができたのなら ー すべてのゲートの1000の中の10-3または1の領域で ー 私たちのqubitは、商業的に実現可能になる可能性があります。しかし、解決すべきより多くの問題があります。そこを心配するより多くの頻度があり、そしてそれはより複雑だということが確かに真実です。しかし、物理学も例外ではありません。」