量子コンピュータは、特定の問題を解決する上で、古典的なノイマン型コンピューターよりもはるかに強力な性能を発揮することが期待されている。しかし、その一方で、量子コンピュータは非常に壊れやすく、環境ノイズの影響を受けやすいという欠点がある。したがって、スケーラブルで有用な量子計算を行うためには、これらの誤差を効率的に修正することが必要である。そのためには、修正可能なエラーが広がらないように（修正不能にならないように）量子計算を行うことが重要なステップとなる。誤り訂正が可能な量子コンピューターは「万能（ユニバーサル）量子コンピューター」や「耐障害性（フォールトトレラント）量子コンピューター」などと呼ばれ開発が進められているが、今回、オーストリアのインスブルック大学とドイツのアーヘン工科大学の研究者らは、この耐障害性量子演算の普遍的なセットを初めて実験的に実証し、大規模なエラー訂正型量子計算の基礎を築いたことを発表した。

誤り訂正

誤り訂正の鍵は、保護すべき情報に冗長性を持たせることである。例えば、古典的コンピュータでは、各ビットのコピーを複数作成し、あるビットが間違って値を変えても、計算の最後にすべてのビットを見れば、その値がどうであったかを知ることができるようにすることができる。量子力学の場合、情報のコピーとチェックはより複雑になるが、冗長性を持たせるという考え方は同じだ。1つの物理量子ビットに含まれるデータを、量子もつれ（量子エンタングルメント）を使って多くの量子ビットに分散させ、万一のエラーを検出すると同時に、計算の状態を崩さずに修正できるようにするのである。これらの多くの物理量子ビットは論理量子ビットと呼ばれ、エンタングル変換はエンコーディングと呼ばれる。

もし、論理量子ビットの状態を永久に変化させないことだけを考えるのであれば、エラー訂正は比較的簡単であろう。しかし、量子アルゴリズムの各ステップは、1つの論理量子ビットをエンコードする多数の物理量子ビットに対して実行されるため、この大きな複合系の状態を操作する必要が生じ、量子演算を大規模な論理形式に変換する際に、誤差が生じたり、新たな問題が生じたりする。特に、Tゲートと呼ばれる重要な量子操作は、複数の量子ビットが相互作用するため、耐障害性を確保するために複雑でリソースの多い方法が必要とされる。

ビルディングブロックの完全なセット

インスブルック大学とアーヘン工科大学の研究者らは、イオントラップ型量子コンピュータを用いた耐障害性量子演算の完全なセットを実証した。Tゲートの実装に加え、論理パウリ固有状態と呼ばれる構成の量子ビットを用意し、2つの論理量子ビット間にもつれ合うCNOTゲートを作成することも含まれている。これらの要素により、1つの量子ビットがあらゆる状態に変換され、他の量子ビットと相互作用することが可能になるため、耐障害性を備えた任意の量子計算の基本構成要素となる。

この実験では、磁場を用いて浮遊させた16個のカルシウムイオンの電子状態（巨視的なポールトラップ）に量子ビットを符号化し、個々のレーザー光で制御している。多くの量子コンピュータ企業が採用している超伝導量子ビットの代わりに、トラップされたイオンを用いることで、エラー率が低く、量子ビット間の接続性が高いという利点があるが、この技術を拡張することには課題がある。研究者らは、カラーコードと呼ばれる符号化方式により、7個の物理量子ビットを使って各論理量子ビットを作成し、さらに、システム内に危険なエラーがあることを知らせるための物理「フラグ」量子ビットを組み込んでいる。この技術により、エラー訂正に必要なリソースが劇的に削減される。重要なのは、この実験により、基礎となるアルゴリズムの複雑さが増しているにもかかわらず、耐障害性方式がこれを採用していない実装よりも優れた性能を発揮することが実証されたことである。

今回の成果は、耐障害性量子コンピューティングの実現に向けた大きな一歩となったが、真に大規模な実験を行うには、まだ多くの段階が残されている。インスブルック大学の博士課程に在籍し、この論文の著者の一人であるLukas Postler氏は、「より多くの論理的量子ビットをエンコードすること、すなわち、より小さな誤り訂正符号を使用するか、1つのもつれたマルチ量子ビット状態において複数の論理的量子ビットをホストする符号を使用するかは、次の目標の1つです」と述べている。「短期的な目標は、エラープロセスとそれが論理量子ビットの性能に及ぼす影響をよりよく理解するために、より洗練されたエラーモデルを開発することです」

研究者らは、短期的にはエラーのモデル化と論理量子ビットの増設を行うとともに、長期的には、大規模量子計算に不可欠なエラー訂正を繰り返し行うシステムを実現したいと考えている。