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量子コンピューティング研究の進展により、量子もつれの新記録が達成された。これは、ポストNISQ(Noisy-Intermediate Scale Quantum)コンピューティングへの大きな飛躍を意味する。中国科学技術大学のXiao-bo Zhu氏が率いるこの研究は、51量子ビット(トランジスタに相当する量子)という前例のない量子もつれを達成した。これは、確率論的量子コンピューティングの可能性を利用するための重要なマイルストーンであり、我々の計算能力を大幅に向上させることに繋がる画期的な物だ。

実験は、66個の超伝導量子ビットを搭載した量子コンピューター「Zuchongzhi」で行われた。これは、IBMをはじめとする量子コンピューティング分野の業界リーダーが支持している技術と同じものだ。IBMは最近、127量子ビットのEagle QPU(Quantum Processing Unit)で量子ユーティリティを披露し、超伝導量子ビットの可能性をさらに強調した。

研究者たちは、超伝導量子ビットを絶対零度(摂氏マイナス273.15度、華氏マイナス459.67度)まで下げ、マイクロ波を使って量子ビットの状態を操作した。これにより、量子ビットを特定の配列(または論理ゲート)に並べることができるようになった。これにより研究チームは、一度に1組だけでなく、一度に複数の量子ビットのペアの状態を変化させることが可能になった。その結果、51個の量子ビットを1列に、30個の量子ビットを2次元平面にもつれさせることに成功した。

同様の研究に携わってきたオーストラリアのニューサウスウェールズ大学の研究者Charles Hill氏は、この結果について「量子もつれが従来のコンピュータと量子コンピュータの重要な違いであり、量子アルゴリズムの重要な要素であると述べた。同氏は、大量のもつれた量子ビットを実証することは、量子コンピュータにとって重要なベンチマークである」と、NewScientist誌において指摘した。

Hill氏の研究チームは以前、65個の量子ビット間で同様の「ネットワーク型」量子もつれを証明しようと試みたが、量子もつれがリンクされたペアを超えて広がっていることを確認できなかった。

物体やその相互作用を調べるために新しいツールや方法が開発されることはよくあることだ。この場合、Hill氏が65量子ビットの量子もつれ実験で遭遇した問題は、量子もつれそのものにあったのではなく、既存の技術では彼の結果を検証できなかったことにあったのかもしれない。今回のZhu教授の研究チームは、量子コンピューター・コミュニティが注視することになるであろう、グループ・エンタングルメントを確認するための新しい検出プロトコルを作成しなければならなかった。

量子ビットのグループのもつれは、量子科学者が探求している数多くの研究分野のひとつであり、エラー緩和や場合によっては量子エラー訂正による計算精度の向上、量子ビットへのノイズの破壊的影響を予測し、打ち消す戦略の開発などとともに、量子科学者が探求している研究分野のひとつである。

51個のもつれた量子ビットが、量子の優位性の壁を超えることを可能にする可能性はまだ低いが、IBMが最近、現在の量子コンピューターから実用性を実証したことは、51個のもつれた量子ビットが、我々がまだ考えもしなかった疑問に対する答えを提供する可能性があることを示唆している。


論文

参考文献

  • NewScientist: Record-breaking number of qubits entangled in a quantum computer

研究の要旨

量子情報技術において、量子ビット数を増加させながら本物の多粒子エンタングルメントをスケーラブルに生成することは、基礎的な興味と実用性の両方にとって重要である。一方では、多部位もつれは量子力学の予言と局所的な実現との間に強い矛盾を示し、量子から古典への転移の研究に利用できる。一方、大規模なもつれの実現は、量子システムの品質と制御性のベンチマークであり、普遍的な量子コンピューティングの実現に不可欠である。しかし、最先端の量子デバイスでスケーラブルに本物の多粒子エンタングルメントを生成することは困難であり、高精度な量子ゲートと効率的な検証プロトコルが必要となる。本論文では、66量子ビットの超伝導量子プロセッサーにおいて、スケーラブルなアプローチで中間スケールの真性エンタングルメントを生成し、検証する方法を示す。高忠実度の並列量子ゲートを用い、並列1量子ゲートの忠実度を99.91%、並列2量子ゲートの忠実度を99.05%に最適化した。効率的なランダム化忠実度推定により、51量子ビットの1次元クラスタ状態と30量子ビットの2次元クラスタ状態を実現し、それぞれ0.637±0.030と0.671±0.006の忠実度を達成した。さらに、高忠実度クラスタ状態に基づいて、摂動平面符号に対する測定に基づく変分量子固有値解法10の原理実証を示す。本研究は、数百量子ビットのエンタングルメントを準備・検証するための実現可能なアプローチを提供し、超伝導量子システムを用いた中規模量子計算を可能にする。

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