量子コンピュータは量子力学の原理に基づいて動作し、重ね合わせや量子もつれ（エンタングルメント）といった奇妙な量子現象を引き起こす。そして量子力学の困難な概念の1つに、測定がシステムに与える影響がある。我々の状態を測定するとき、システムの“量子性”が破壊され、結果そのものに影響を与えてしまうことが分かっている。
そして、「量子ビット」として知られる情報の量子ビットの大きな系では、測定の効果は劇的に新しい振る舞いを引き起こし、量子情報のまったく新しい相の出現を促すことさえある。
このような量子ビットに対する測定の影響を探ることは、全く新しい情報相の出現の引き金となる可能性さえあるため、非常に重要である。
Google Quantum AIとスタンフォード大学の科学者たちは、新たな研究で、70量子ビットのシステムにおいて、この種の研究では圧倒的に大規模な物で、過去最大のものとなる、測定によって誘発される有意な相転移を観測した。また、このような測定に起因する新しい形の量子テレポーテーションも検出したとのことだ。これらの研究は、量子コンピューティングに役立つ新たな技術のヒントになるかもしれない。
量子もつれ、測定、ノイズ
量子もつれは、量子ビットが非局所的に相互接続する基本的な量子現象である。これは、ある量子ビットの変化が、その距離を問わず、別の量子ビットに即座に影響を与えることを意味する。
量子システム内のもつれた量子ビットに影響を与える測定の種類は様々である。高度にもつれ合った系では、測定によって量子ビット間のすべての接続が完全に破壊されることもあれば、複雑な網の目を切断するように、特定の量子ビットに選択的に影響を与え、他の量子ビットを温存することもある。
しかし、これらのもつれを可視化することは困難である。というのも、これらのもつれは、量子ビットの測定値間の統計的相関を分析することによってのみ推測することができるからである。このプロセスは多くの実験を繰り返す必要があり、歴史的にこれらの現象の研究は小さなシステムに限られていた。
実用的な量子コンピューティングに関しては、ノイジー中間量子（NISQ）プロセッサーとして知られる現代のデバイスが最前線にある。
しかし、NISQプロセッサーは、ハードウェアの限界と量子測定の予測不可能な性質に直面しており、量子現象を計算に利用することは困難である。そこで、NISQプロセッサーにおける測定誘起効果の理解が不可欠となる。
測定誘起相転移とテレポーテーション
量子ビット系のもつれは、複雑な網の目のように視覚化することができる。もつれた系を測定するとき、それが網に与える影響は測定の強さに依存する。測定によって網が完全に破壊されることもあれば、他の部分はそのままに、特定の部分だけが切り取られることもある。
このもつれの網（エンタングルメント・ウェブ）を実験で実際に見ることは、非常に困難である。エンタングルメント・ウェブそのものは目に見えないので、研究者は量子ビットの測定結果間の統計的相関を見ることによってのみ、その存在を推測することができる。ウェブのパターンを推測するには、同じ実験を何度も何度も行う必要がある。このような問題や他の課題が過去の実験を悩ませ、測定誘起相転移の研究は非常に小さなシステムサイズに制限されてきた。
量子もつれの可視化という課題を克服するため、研究者たちは70量子ビットの量子システムを使用した。研究者らは、操作の順序を並べ替えることで実験プロセスを合理化し、測定が全体を通してインターリーブされるのではなく、最後に行われるようにした。
さらに、エンタングルメント・ウェブを測定するためにプローブ量子ビットを1つ導入した。このアプローチにより、少ない実験反復回数で、エンタングルメント・ウェブについてより多くの知見を得ることができた。
量子ビットに影響を与える典型的なノイズにもかかわらず、研究者たちはプローブ量子ビットのもつれウェブの特性に対する感度を巧みに利用した。これにより、システム全体のもつれを推測することが可能になった。
研究者らは、測定によって誘起される相転移を観測した。これは、量子ビットの相互作用と測定のバランスが変化し、系の挙動が明らかに変化する臨界点である。
測定が支配的であったエンタングルメント解除の段階では、エンタングルメント・ウェブの鎖は短くなり、プローブ量子ビットは主に直近の量子ビットのノイズに敏感であった。対照的に、エンタングルフェーズでは、測定が弱く、エンタングルメントが広範囲に及ぶため、プローブのノイズ感度はシステム全体に及ぶ。
さらに、研究者らは、この測定から生じる独特の量子テレポーテーションを観測した。2つの量子ビットを除くすべての量子ビットを弱いエンタングルメント状態で測定することで、その2つの量子ビット間に強いもつれが生じ、テレポーテーションが観測されたのである。
本研究で実証された量子テレポーテーションは、量子情報において重要な意味を持つ。これは、量子ビット間で未知の量子状態をかなりの距離にわたって転送できる可能性を示しており、安全な通信や量子コンピューティングへの応用が期待される概念である。
この研究の共著者であるスタンフォード大学のVedika Khemani氏は、プレスリリースの中で次のように述べている。「量子力学に計測を取り入れることは、多体物理学に新たな領域を提供し、魅力的で直感に反する現象を明らかにします。この研究では、これらのうちのいくつかを探求していますが、将来的にはもっと多くの豊かな発見があるでしょう」。
この研究は、量子コンピューティングのノイズに対するロバスト性を強化し、量子系における新しい位相や物理現象を駆動する上で計測が果たす基本的な役割についての洞察を提供する重要な意味を持つ。
論文
参考文献
- Google Research: Measurement-induced entanglement phase transitions in a quantum circuit
- bbb
研究の要旨
測定は量子論において特別な役割を担っている。波動関数を崩壊させることによって、テレポーテーションのような現象を可能にし、それによって単位進化を制約する「時間の矢」を変化させることができる。多体動力学に統合された場合、測定は時空間における量子情報の創発パターンにつながり、平衡状態や平衡状態から外れた状態を特徴づけるための確立されたパラダイムを超えることができる。現在のノイジー中間量子（NISQ）プロセッサーでは、ハードウェアの制限や量子測定の確率的性質により、このような物理を実験的に実現することは困難である。本論文では、このような実験的課題に取り組み、最大70個の超伝導量子ビットにおける測定誘起量子情報相を研究する。空間と時間の交換性を利用し、双対性マッピングを用いて回路途中での測定を回避し、エンタングルメント・スケーリングから測定誘起テレポーテーションまで、基本的な位相の様々な発現にアクセスする。実験的測定と古典的シミュレーションデータを相関させるデコーディングプロトコルを用いて、相転移の有限サイズのシグネチャを得る。位相はノイズに対して著しく異なる感度を示し、この不一致を利用して、固有のハードウェアの制限を有用な診断に変える。我々の研究は、現在のNISQプロセッサーの限界にあるスケールで、測定誘起物理を実現するアプローチを示している。
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