量子コンピューターが論理量子ビットを用いてエラー耐性のある操作を実行可能にすると言う技術に関する最新の研究が、学術誌『Nature』に掲載された。この研究は、主にハーバード大学に所属する研究者チームによって行われ、誤り耐性（フォールトトレラント）量子コンピューター（FTQC: Fault-Tolerant Quantum Computer）上で48個の論理量子ビットと数百の論理オペレーションを実装、大規模アルゴリズムを実行することに成功した事が報告されている。このシステムは、QuEra社によって開発されたハードウェアを基にしており、エラーの発生を正確に特定することが可能だという。

「我々は誤り耐性を備えた量子コンピューティングで48論理量子ビットを実現することがとてつもなく重要であると考えており、これはデータ分析と金融シミュレーションに革命をもたらす可能性があります。量子コンピューティングが単なる実験的な試みではなく、顧客に役に立つ実用的なツールとなる未来が近づいています。この極めて重要な結果は、複雑な計算問題への業界のアプローチを再定義する可能性があります」と、とMoody’s Analyticsの量子およびAI担当マネージングディレクターのSergio Gago氏は語っている。

この研究は、国防高等研究計画局（DARPA）のthe Optimization with Noisy Intermediate-Scale Quantum (ONISQ) プログラムの一環として資金援助を受けている。ONISQプログラムは、防衛や商業分野に関連する困難な問題のクラスである組合せ最適化問題を解く上で、従来のスーパーコンピューターの能力を凌駕する方法を開発することを目的としている。

エラーの捕捉と修正

複雑な量子アルゴリズムは、量子情報を数時間にわたって維持し操作することを要求することがあるが、既存のハードウェア量子ビットは、エラーを引き起こさずにこれを処理することはほぼ不可能だ。一般的に受け入れられている解決策は、エラー訂正論理量子ビットを使用することだ。これは、個々の量子ビットを複数のハードウェア量子ビット間で分散させ、一つの量子ビットでエラーが発生しても情報が完全に破壊されないようにするものだ。

追加の量子ビットは、これらの論理量子ビットにエラー訂正を追加することができる。これらは論理量子ビットを保持するハードウェア量子ビットにリンクされ、エラーが発生したときにそれを特定する方法でその状態を監視することができる。これらの追加量子ビットの操作により、エラーが発生したときに失われた状態を復元することができる。

理論的には、このエラー訂正により、個々のハードウェア量子ビットが可能とするよりもはるかに長い時間、量子状態をハードウェアに保持することが可能だ。

ただし、これには複雑さと量子ビット数の大幅な増加というトレードオフがある。後者は明白だ。つまり、各論理量子ビットが十数個の量子ビットを必要とする場合、任意のアルゴリズムを実行するためにははるかに多くのハードウェア量子ビットが必要になる。完全なエラー訂正には、エラーが発生したときにそれを特定し、エラーのタイプを識別し、必要な訂正を行うための繰り返し測定も必要だ。そして、それらすべてが論理量子ビットがアルゴリズムの実行にも使用されている間に行われなければならない。

また、これを実際に機能させる実際の問題もある。ハードウェア量子ビットのペアで操作を実行する方法を理解することは非常に簡単だ。しかし、個々のハードウェア量子ビットが最大で論理量子ビットの一部しか保持していない場合にそれらをどのように行うかを理解することははるかに困難だ。複雑さをさらに増すのは、さまざまな潜在的なエラー訂正スキームがあり、それらの堅牢性、利便性、量子ビット使用のトレードオフをまだ把握している最中であるということだ。

これまでも進歩がなかったわけではない。エラー訂正量子ビットは実証されており、それらはそれらをホストするハードウェア量子ビットよりも量子情報をより良く維持している。また、いくつかのケースでは、論理量子ビットのペアを使用して個々の量子操作（ゲートと呼ばれる）が実証されている。そして、2つの企業（Atom ComputingとIBM）は、多くの論理量子ビットをホストするのに十分なハードウェアを提供するために量子ビット数を増やしている。

QuEraの登場

Atomコンピューティングと同様、QuEraのハードウェアは中性原子を使用しており、これにはいくつかの利点がある。量子情報は個々の原子の核スピンに保存され、量子情報の維持という点では比較的安定している。また、ある同位体のすべての原子が等価であるため、超伝導ハードウェアに基づく量子ビットのようなデバイス間のばらつきがない。個々の原子は配線を必要とせず、レーザーでアドレス指定することができ、原子を移動させることができるため、どの量子ビットも他の量子ビットとリンクさせることができる可能性がある。

QuEraの現行世代のハードウェアは、最大280個の原子ベースの量子ビットをサポートしている。この機能を実現するために、これらの原子はいくつかの機能領域間で移動させられる。ひとつは単なるストレージで、操作や測定が行われていないときに量子ビットが存在する場所だ。ここには、使用中の論理的な量子ビットと、アルゴリズム実行の過程で動員可能な未使用の量子ビットのプールがある。また、これらの操作が行われる「エンタングルメントゾーン」と、ハードウェアの他の場所にある量子ビットを乱すことなく個々の量子ビットの状態を測定できる読み出しゾーンもある。

このアーキテクチャと従来のコンピュータを比較し、このアーキテクチャの利点は、例えば、CPUを変えずにメモリを2倍にできることだ。実際のハードウェアに関しては、QuEraは読み出しに使用するシステムを変更することなく、原子をメモリに保持するハードウェアを変更できる可能性がある。

中性原子量子ビットのいくつかの側面は、論理量子ビットに対する操作をいくらか容易にする。例えば、論理量子ビットの演算は、論理量子ビットを構成するすべての原子をエンタングルメントゾーンに移動させ、そこにレーザーを1回照射するだけという簡単なものである。同じようなことを2つの論理量子ビットに対して行い、ゲート操作を行うことができる。

さらに、測定ゾーンを別にすることで、論理量子ビットの他の構成要素を一切中断させることなく、アルゴリズムの処理中にエラー訂正に使用する量子ビットを移動させて測定することができる。あるいは、ここでのいくつかの実験では、これらの量子ビットはアルゴリズムが完了するまでメモリに保持される。この時点で測定し、エラーが発生した兆候があれば結果を破棄することができる。

論理的に働く

論理的な量子ビットの初期化プロセスでも、その潜在的な利点が示された。後の測定でエラーの兆候のない例を選択することで、初期化の忠実度は99.9％以上に達し、個々のハードウェア量子ビットを初期化した場合の成功率（99.3％）を大きく上回った。

さらに研究チームは、異なる数の量子ビットを用いたさまざまなエラー訂正方式をテストした。論理量子ビットに含まれるハードウェア量子ビットの数が増えるにつれて、全体のエラー率は低下した。

これは完全なエラー訂正ではない。今回の成果は、計算が終わった後にエラーが訂正されるということだ。今後実証が必要なのは、回路途中での訂正であり、計算中にエラーがあるかどうかを測定し、それを訂正し、次に進むというものである。

研究者たちは次に、論理量子ビットを使ってさまざまなアルゴリズムを実行した。あるケースでは、古典的なコンピュータを使って、一連の操作のさまざまな結果の確率を推定することができた。ある種のエラー検出がなければ、実験結果にはかなりのノイズが含まれていた。しかし、研究者たちがエラーの兆候のある測定値を拒否することをより厳しくするにつれて、結果は徐々にきれいになっていった。ある測定精度は0.16から0.62に上昇した。

別の実験では、3個から48個までの論理量子ビットの集合体についてアルゴリズムをテストした。これらすべてのケースで、論理量子ビットは、270ものゲート演算を伴うアルゴリズムにおいても、物理量子ビットと、エラーの影響を抑える対策が講じられていない論理量子ビットの両方を上回った。48個の論理量子ビットの演算では、性能の差は10倍であった。

研究者らはまた、たった3つの演算を追加するだけで、古典的なコンピュータを使ったシミュレーションが不可能なシステムになると見積もっている。

次の課題は？

これは計算中に行われる完全なエラー修正ではないため、QuEraはそれの実現に取り組んでいる。加えて、これらのテストに使用されたアルゴリズムは、商業的な顧客がお金を払ってまで実行するものではないという意味で有用ではない。それが可能になる前に、論理量子ビット数を引き上げなければならないだろう。

量子ビット数を増やすもう一つの理由は、この研究が実証しているように、論理量子ビットに使用する量子ビットを増やすとエラー率が下がるからである。各論理量子ビットが10個のハードウェア量子ビットを必要とする場合、現在のQuEraハードウェアは一度に22個しかホストできない。明らかに、48個の量子ビットでこれらのデモを実行することは、使用された量子ビットが10個以下であることを意味し、そのため、より大きなマシンで可能かもしれないよりも、より多くのエラーが捕捉されずに終わったことになる。

とはいえ、QuEraは論文の中で、最適化された制御とレーザーパワーの増強により、このアーキテクチャは物理的に1万量子ビットに達することができると述べている。また、すべての制御操作はレーザーを使って処理されるため、フォトニックリンクを使って別々のハードウェアを橋渡しすることも可能なはずだ。

しかし、このような潜在的な進歩の価値は、最終的に論理量子ビットに複雑な一連の操作を施し、エラーをリアルタイムで修正できるようになるという信念が前提となっている。その前半は、今や確信の域を脱し、実証された技術のリストに入っている。

論文

• Nature: Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays

参考文献

• PR Times: ハーバード大学、QuEra、MIT、NIST/メリーランド大学が、48個の論理量子ビットを用いて誤り訂正量子アルゴリズムを実現し、量子コンピューティングの新時代を先導