IBMは、実用的な量子コンピューターの開発に繋がるための障害を克服するために、また一歩大きな歩みを進めたと報告している。

『Nature』誌に発表された論文の中で、IBMの研究者らは、繊細な量子データをエラーの蓄積から保護する上で、従来の方法よりもおよそ10倍効率的な新しい量子エラー訂正コードについて報告している。

「量子エラー訂正理論は30年前に遡るが、実際のハードウェア上で貴重な量子回路を動作させることができる理論的なエラー訂正技術は、量子システムに導入するにはあまりにも非現実的であった。我々の新しい論文では、その制限を克服するGrossコードと呼ぶ新しいコードを紹介する」と、研究者らは述べている。

量子コンピュータは、量子力学の奇妙な法則を利用して、古典的なコンピュータとは異なる方法で計算を実行する。理論的には、現状一般的に用いられている通信暗号を簡単に解読したり、創薬を最適化したりするような、大きな変革をもたらすと考えられている。

しかし、大きなハードルとなっているのが、量子計算に忍び込むエラーである。量子情報は非常に壊れやすく、熱や振動、迷走電磁場のような些細な妨害によって破損する可能性がある。

「量子情報は壊れやすく、ノイズの影響を受けやすい。環境ノイズ、制御電子機器からのノイズ、ハードウェアの不完全性、状態準備や測定のエラーなどだ。数百万から数十億のゲートを持つ量子回路を動かすためには、量子エラー訂正が必要になる」と、IBMのプレスリリースでは述べられている。

これまでも研究者らは、この障害に対する回避策として、必死にエラー訂正方式を考え出してきた。エラー訂正は、壊れやすい量子データを多数の物理量子ビット（量子情報の基本単位）に分散させることで機能し、一部の量子ビットが壊れてもデータを無傷に保つことができる。しかし、これまでの量子誤り訂正符号は、余分な量子ビットの膨大なオーバーヘッドを必要とし、大規模な誤り訂正を非現実的なものにしていた。

「誤り訂正には、量子情報を必要以上に多くの量子ビットに符号化する必要があります。しかし、スケーラブルでフォールトトレラントな方法で量子エラー訂正を実現するには、100万以上の物理的量子ビットのスケールを考慮しなければ、今のところ手が届きません」。

代表的な “サーフェスコード”アプローチは、この問題を物語っている。IBMの分析によれば、「サーフェスコードでほぼ同じタスクを実行するには、3,000量子ビット近くが必要になる」という。

IBMは今回、この制限を克服する新しい「Grossコード」と呼ぶ新たなコードを考案した。

しかし、新しいGrossコードははるかに効率的だ。「Grossコードを使えば、288個の量子ビットを使って、およそ100万サイクルのエラーチェックで12個の論理量子ビットを保護することができる」とブログには書かれている。

エラー訂正に必要なオーバーヘッドを劇的に減らすことで、Grossコードは実用的な大規模量子コンピュータの構築に向けた大きなハードルをクリアし、エラー訂正が手の届くところにあることを示しているという。

エラー訂正は解決された問題ではないが、この新しいコードは、IBMの超伝導トランスモン・量子ビット・ハードウェア上で10億ゲート以上の量子回路を動作させる道筋を明らかにするものであると、研究者らは期待を寄せる。

このマイルストーンは、化学、最適化、人工知能などの分野で量子コンピューターの可能性を最大限に引き出すための重要な一歩である。

研究者らは、「今後数年間で、古典的なコンピューティングよりも高速化され、これらのシステムからビジネス価値が引き出されることが期待されます。しかし、数億から数十億のゲートを持つ量子回路のチューニングを必要とする、数学的に証明されたアルゴリズムもある」。

とはいえ、エラー訂正のアプローチを改良し、量子コンピューティング・システムやアルゴリズムに統合するためには、さらなる研究が必要であることもまた確かだ。

「我々は、より効率的なアーキテクチャを持つコードをまだ探しており、これらのコードを用いてエラー訂正計算を実行する研究が進行中である。しかし、今回の発表により、エラー訂正の未来は明るいものになりそうだ」と、研究者らは述べており、少し見通しは明るくなってきた。

数十年にわたり強力な量子コンピュータのビジョンを追求してきたIBMのブレークスルーは、その夢を現実に大きく近づける物と言えるだろう。

論文

• Nature: High-threshold and low-overhead fault-tolerant quantum memory

参考文献

• IBM: Landmark IBM error correction paper published on the cover of Nature

研究の要旨

現在の量子コンピュータでは、物理エラーが蓄積することにより、大規模なアルゴリズムの実行が妨げられている。量子エラー訂正は、k個の論理量子ビットをより大きなn個の物理量子ビットに符号化することによって、物理エラーを十分に抑制し、許容できる忠実度で計算を実行できるようにする解決策を約束するものである。量子エラー訂正は、量子コード、シンドローム測定回路、復号アルゴリズムの選択に依存する物理エラー率が閾値を下回れば、現実的に実現可能となる。われわれは、低密度パリティ検査符号のファミリーに基づき、フォールトトレラントメモリを実装したエンドツーエンドの量子誤り訂正プロトコルを提案する。私たちのアプローチは、標準的な回路ベースのノイズモデルで0.7%の誤り閾値を達成し、20年間誤り閾値の点で主要な符号であった表面符号と同等である。我々のファミリーの長さnのコードのシンドローム測定サイクルは、n個の補助量子ビットと、CNOTゲート、量子ビットの初期化、測定を含む深さの回路を必要とする。必要な量子ビットの接続性は、2つの辺が不連続な平面部分グラフからなる次数のグラフである。特に、物理エラー率を0.1%と仮定した場合、12個の論理量子ビットを288個の物理量子ビットで100万シンドロームサイクル近く保持できることを示す。今回の成果により、低オーバーヘッドのフォールト・トレラント量子メモリの実証が、近い将来の量子プロセッサの実現に近づくことになる。