量子コンピュータは、人々が複雑な方程式を解く方法に革命をもたらす可能性のある有望な技術である。しかし、量子情報の基本単位である量子ビットは壊れやすく、崩壊しやすいため、十分な数の量子ビットを理想的な状態に十分な時間維持することは、量子コンピュータの実現の大きな壁となって立ちはだかっている。
だが今回、イェール大学の研究チームによって、量子ビットが理想的な状態を保つ時間が2.3倍に延長され、量子情報の冗長性とエラー除去により長期保存を可能にする量子エラー訂正（QEC）の実用性が実証された。この成果は、より安定で信頼性の高い量子コンピュータの開発に道を開くものと期待されている。
量子ビットの長寿命化について
イェール大学の研究者は、量子情報の単位である量子ビットの寿命を損益分岐点以上に延ばすことに成功し、量子ビットが故障する前に、より多くの演算を行うことを実現した。
プレスリリースの通り、量子ビットに符号化された情報を量子ノイズによるエラーから保護する技術である量子エラー訂正と、機械学習による校正と精度の最適化を用いて、今回のブレークスルーを達成したという。
Gottesman-Kitaev-Preskillの量子誤り訂正符号を用いることで、研究分野では初めて、量子情報で発生する以上の誤りを訂正することができた。量子ビットが故障するまでに実行できる演算の回数を2倍に増やすことで、量子ビットの寿命を延ばしたのだ。
これまで、多くの研究グループが損益分岐点に近づいていたが、この研究では、量子ビットの寿命をそれ以上に延ばし、1以上の利得を確認した初めての事例となる。
イェール大学のユージン・ヒギンズ教授（物理学）のSteve Girvin氏によると、今回のブレークスルーは、学際的な研究努力と長年にわたる進歩の積み重ねによって達成されたという。このブレークスルーは、より安定した信頼性の高い量子コンピュータの実現につながる可能性があるという。
損益分岐点以上の量子ビットを持つことの意味するところ
イェール大学のDevoret研究グループの元ポスドクであるBaptiste Royer氏は、量子ビットの寿命を損益分岐点を超えて延ばすという今回のブレークスルーは、量子コンピューティングを支える理論の実現可能性を示している、と述べている。
また、量子コンピュータの基礎となる仮定を検証し、現代のスーパーコンピュータを超える優位性を持つ、より高機能な量子コンピュータの開発につながる可能性がある。
Quantum Insiderによると、今回のブレークスルーは、長年にわたって開発され、実験に使用されたさまざまな技術の組み合わせによって達成されたとのことだ。量子コンピューティングの成功は、量子エラー訂正を用いて高品質の量子ビットを作成できるかどうかにかかっている。
デボレ研究グループの元メンバーで、現在はGoogleの研究科学者であるVolodymyr Sivak氏によれば、今回のブレークスルーは、その基礎となる仮定を検証し、この分野の未来に希望を与えるものだという。
論文
参考文献
- Yale Daily News: Yale researchers achieve breakthrough in extending qubit’s lifetime above break-even point
- Yale School of Engineering & Applied Science: Doubling a qubit’s life, researchers prove a key theory of quantum physics
- Science Alert: Physicists Extend Qubit Lifespan in Pivotal Validation of Quantum Computing
- Quantum Insider: L’Chaim! Yale Scientists Double a Qubit’s Lifetime — And Validate ‘Cornerstone of Quantum Computing’
研究の要旨
量子を計算のために利用するという野望は、デコヒーレンスという基本的な現象と相反するものである。量子エラー訂正（QEC）の目的は、複雑なシステムが持つ自然な傾向である脱コヒーレンスに対抗することである。この協力的なプロセスは、複数の量子および古典コンポーネントの参加を必要とし、エラーによって引き起こされるエントロピーを、これらのエラーが保存されている量子情報を破損する速度よりも速く除去する特殊なタイプの散逸を作り出しす。このようなプロセスを構築しようとするこれまでの実験的試みでは、プロセス自体のエラー訂正能力を超える過剰な数のエラーが発生することに直面した。このように、量子コヒーレンスを拡張するためにQECを利用することが現実的に可能かどうかは、未解決のままだ。今回、我々は、量子コヒーレンスが、QECプロセスに含まれるすべての不完全な量子コンポーネントよりも大幅に長く、コヒーレンス利得G = 2.27 ± 0.07で最高のものを上回る、完全に安定化しエラー訂正された論理量子ビットを実証することでこの疑問に答える。この性能は、超伝導量子回路の作製やモデルフリー強化学習など、複数の領域のイノベーションを組み合わせることで実現した。
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